CN115699554A - 热力发电单元 - Google Patents
热力发电单元 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115699554A CN115699554A CN202180042395.XA CN202180042395A CN115699554A CN 115699554 A CN115699554 A CN 115699554A CN 202180042395 A CN202180042395 A CN 202180042395A CN 115699554 A CN115699554 A CN 115699554A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fin
- flow path
- power generation
- female
- generation unit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000010248 power generation Methods 0.000 title claims abstract description 62
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 221
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims abstract description 29
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims abstract description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 4
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910018487 Ni—Cr Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 3
- 239000000788 chromium alloy Substances 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 2
- 229910000623 nickel–chromium alloy Inorganic materials 0.000 claims 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 15
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 15
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 2
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000599 Cr alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000007772 electroless plating Methods 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910001026 inconel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
- F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
- F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
- F01N5/025—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat the device being thermoelectric generators
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
- H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
- H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
Abstract
热力发电单元(2)具备互相相对配置的一对低温流体流路部(4、6)、配置于一对低温流体流路部(4、6)之间的高温流体流路部(12)、分别配置于高温流体流路部(12)与一对低温流体流路部(4、6)之间的一对热电模块(18、20)及配置于高温流体流路部(12)的棒状的凸型翅片(44b)及凹型翅片(46a)。凹型翅片(46a)具有与凸型翅片(44b)嵌合的凹部(48)。凸型翅片(44b)的外周面和凹型翅片(46a)的凹部(48)的内周面接触，且在凸型翅片(44b)的顶端部与凹型翅片(46a)的凹部(48)的底部之间形成有间隔部(52)。
Description
技术领域
本公开涉及将热能变换为电能的热力发电单元。
背景技术
已知有将热能变换为电能的热力发电单元(例如，参照专利文献1)。以往的热力发电单元具备互相相对配置的一对低温流体流路部、配置于一对低温流体流路部之间的高温流体流路部及分别配置于高温流体流路部与一对低温流体流路部之间的一对热电模块。热电模块利用塞贝克效应，将基于在高温流体流路部中流动的高温流体与在低温流体流路部中流动的低温流体的温度差的热能变换为电能。
上述的以往的热力发电单元还具备配置于高温流体流路部的销型翅片。销型翅片的两端部分别固定于一对热电模块。在高温流体流路部中流动的高温流体的热经由销型翅片而向一对热电模块的各自传递。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2013/0340801号说明书
发明内容
在上述的以往的热力发电单元中，在高温流体流路部中流动的高温流体的温度发生了变化时，销型翅片热膨胀或热收缩。由此，应力向销型翅片的端部与热电模块的固定部位施加，热电模块可能会变形。
于是，本公开提供能够抑制由第2流体(高温流体)的温度变化引起的热电模块的变形的热力发电单元。
本公开的一方案的热力发电单元是利用第1流体与比所述第1流体高的温度的第2流体的温度差来发电的热力发电单元，其中，具备：一对第1流体流路部，互相相对配置，各自供所述第1流体流动；第2流体流路部，配置于所述一对第1流体流路部之间，供所述第2流体流动；一对热电模块，分别配置于所述第2流体流路部与所述一对第1流体流路部之间，将基于所述第1流体与所述第2流体的温度差的热能变换为电能；棒状的凸型翅片，配置于所述第2流体流路部，与所述一对热电模块的一方以能够热传递的方式连接，朝向所述一对热电模块的另一方突出；及棒状的凹型翅片，配置于所述第2流体流路部，与所述一对热电模块的另一方以能够热传递的方式连接，朝向所述一对热电模块的一方突出，所述凹型翅片具有与所述凸型翅片嵌合的凹部，所述凸型翅片的外周面和所述凹型翅片的所述凹部的内周面接触，且在所述凸型翅片的顶端部与所述凹型翅片的所述凹部的底部之间形成有间隔部。
此外，该总括的或具体的方案可以由装置或方法实现，也可以由装置及方法的任意的组合实现。
根据本公开的一方案的热力发电单元，能够抑制由第2流体的温度变化引起的热电模块的变形。本公开的一方案中的进一步的优点及效果会由说明书及附图揭示。该优点和/或效果通过一些实施方式以及说明书及附图所记载的特征而分别提供，但为了得到1个或其以上的同一特征而未必需要提供全部。
附图说明
图1是示出实施方式1的热力发电单元的立体图。
图2是示出实施方式1的热力发电单元的分解立体图。
图3是图2的III-III线处的实施方式1的热力发电单元的要部剖视图。
图4是示出实施方式1的翅片构造的要部剖视图。
图5是示出实施方式1的翅片构造的要部分解立体图。
图6是示出实施方式1的变形例1的翅片构造的要部剖视图。
图7是示出实施方式1的变形例2的翅片构造的要部分解立体图。
图8是示出实施方式1的变形例3的翅片构造的要部分解立体图。
图9是示出实施方式2的热力发电单元的分解立体图。
具体实施方式
本公开的一方案的热力发电单元是利用第1流体与比所述第1流体高的温度的第2流体的温度差来发电的热力发电单元，其中，具备：一对第1流体流路部，互相相对配置，各自供所述第1流体流动；第2流体流路部，配置于所述一对第1流体流路部之间，供所述第2流体流动；一对热电模块，分别配置于所述第2流体流路部与所述一对第1流体流路部之间，将基于所述第1流体与所述第2流体的温度差的热能变换为电能；棒状的凸型翅片，配置于所述第2流体流路部，与所述一对热电模块的一方以能够热传递的方式连接，朝向所述一对热电模块的另一方突出；及棒状的凹型翅片，配置于所述第2流体流路部，与所述一对热电模块的另一方以能够热传递的方式连接，朝向所述一对热电模块的一方突出，所述凹型翅片具有与所述凸型翅片嵌合的凹部，所述凸型翅片的外周面和所述凹型翅片的所述凹部的内周面接触，且在所述凸型翅片的顶端部与所述凹型翅片的所述凹部的底部之间形成有间隔部。
根据本方案，由于凸型翅片与凹型翅片的凹部嵌合，所以即使在因在第2流体流路部中流动的第2流体的温度变化而互相嵌合的凸型翅片及凹型翅片发生了热膨胀或热收缩的情况下，凸型翅片的外周面和凹型翅片的凹部的内周面在轴向上相对滑动。此时，通过形成于凸型翅片的顶端部与凹型翅片的凹部的底部之间的间隔部，凸型翅片及凹型翅片的轴向上的热膨胀或热收缩被吸收。其结果，能够吸收向一对热电模块的各自施加的应力，能够抑制由第2流体的温度变化引起的一对热电模块的变形。
所述间隔部的幅度可以为互相嵌合的状态下的所述凸型翅片及所述凹型翅片的整体长度的0.1％以上且10％以下。
根据本方案，能够充分吸收凸型翅片及凹型翅片的轴向上的热膨胀或热收缩，并且能够充分确保凸型翅片的外周面与凹型翅片的凹部的内周面的接触面积。
所述凸型翅片的所述外周面及所述凹型翅片的所述凹部的所述内周面的各自可以形成为锥状。
根据本方案，能够将伴随于热膨胀或热收缩的应力在凸型翅片及凹型翅片的径向上释放。由于凸型翅片及凹型翅片的轴向上的弱的撑顶应力残留，所以能够一边维持一对热电模块与凸型翅片及凹型翅片的接触，一边将界面热阻保持得低，能够确保第2流体与一对热电模块的各自之间的热传递性能。
在所述凹型翅片可以形成有沿着所述凹型翅片的轴向延伸的切口部。
根据本方案，由于在凹型翅片形成有切口部，所以能够实现凹型翅片的径向上的变形。由此，能够吸收凸型翅片及凹型翅片的径向上的热膨胀或热收缩。
在所述凸型翅片的所述外周面与所述凹型翅片的所述凹部的所述内周面之间可以存在用于对所述凸型翅片与所述凹型翅片之间赋予滑动性且在所述凸型翅片与所述凹型翅片之间传递热的传热构件。
根据本方案，在互相嵌合的凸型翅片及凹型翅片发生了热膨胀或热收缩的情况下，能够使凸型翅片的外周面和凹型翅片的凹部的内周面在轴向上顺畅地相对滑动。
所述热力发电单元可以还具备配置于所述间隔部且对所述凸型翅片及所述凹型翅片分别朝向所述一对热电模块的一方及另一方施力的施力构件。
根据本方案，通过施力构件，能够使凸型翅片及凹型翅片分别与一对热电模块的一方及另一方可靠地以能够热传递的方式连接。
所述凸型翅片及所述凹型翅片各自的内部和表面可以由互相不同的材料形成。
所述凸型翅片及所述凹型翅片各自的内部可以由铜、铜合金、铝、铝合金、不锈钢或陶瓷形成。
根据本方案，能够将凸型翅片及凹型翅片各自的内部利用具有高的热传导率的材料形成。
所述凸型翅片及所述凹型翅片各自的表面可以由镍、镍合金、铬或铬合金形成。
根据本方案，能够将凸型翅片及凹型翅片各自的表面利用耐蚀性高的材料涂覆。其结果，能够抑制凸型翅片及凹型翅片各自的内部在高温大气中氧化而腐蚀。
此外，这些总括的或具体的方案可以由装置或方法实现，也可以由装置及方法的任意的组合实现。
以下，关于实施方式，一边参照附图一边说明。
此外，以下说明的实施方式均表示总括的或具体的例子。在以下的实施方式中示出的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置及连接方式、步骤、步骤的顺序等是一例，并非旨在限定权利要求的范围。关于以下的实施方式中的构成要素中的未记载于表示最上位概念的独立权利要求的构成要素，作为任意的构成要素来说明。各图未必严格地进行了图示。在各图中，关于实质上相同的构成，标注相同的附图标记，重复的说明省略或简化。
(实施方式1)
[1-1.热力发电单元的整体构成]
首先，一边参照图1～图3，一边对实施方式1的热力发电单元2的整体构成进行说明。图1是示出实施方式1的热力发电单元2的立体图。图2是示出实施方式1的热力发电单元2的分解立体图。图3是图2的III-III线处的实施方式1的热力发电单元2的要部剖视图。此外，在图1～图3中，将热力发电单元2的前后方向设为X轴方向，将热力发电单元2的左右方向设为Y轴方向，将热力发电单元2的上下方向设为Z轴方向。
热力发电单元2例如是用于利用从搭载于车辆的发动机排出的排气的热能来发电的热力发电单元(Thermoelectric conversion unit)。
如图1～图3所示，热力发电单元2具备一对低温流体流路部4、6(一对第1流体流路部的一例)、一对侧面束缚部8、10、高温流体流路部12(第2流体流路部的一例)、高温流体导入部14、高温流体排出部16、一对热电模块18、20及翅片构造22。
如图2及图3所示，一对低温流体流路部4、6在上下方向(Z轴方向)上空出间隔而互相相对配置。
上侧的低温流体流路部4具有扁平的中空状的长方体形状的壳体24和从壳体24的侧面向外部突出的管状的低温流体导入部26及低温流体排出部28。如图3所示，在壳体24的内部形成有供低温流体(第1流体的一例)流动的低温流体流路30。低温流体例如是比高温流体(后述)低的温度的冷水或冷风。低温流体导入部26及低温流体排出部28在前后方向(X轴方向)上空出间隔而配置，与壳体24的低温流体流路30连通。低温流体通过低温流体导入部26而向壳体24的低温流体流路30流入，在低温流体流路30中流动后，通过低温流体排出部28而向外部排出。
下侧的低温流体流路部6具有扁平的中空状的长方体形状的壳体32和从壳体32的侧面向外部突出的管状的低温流体导入部34及低温流体排出部36。如图3所示，在壳体32的内部形成有供低温流体流动的低温流体流路38。低温流体导入部34及低温流体排出部36在前后方向上空出间隔而配置，与壳体32的低温流体流路38连通。低温流体通过低温流体导入部34而向壳体32的低温流体流路38流入，在低温流体流路38中流动后，通过低温流体排出部36而向外部排出。
如图1及图2所示，一对侧面束缚部8、10在左右方向(Y轴方向)上空出间隔而互相相对配置。即，一对侧面束缚部8、10以将配置于一对低温流体流路部4、6之间的高温流体流路部12(后述)从左右方向上的侧方覆盖的方式配置。一对侧面束缚部8、10的各自形成为矩形状的平板状。
如图2及图3所示，高温流体流路部12配置于一对低温流体流路部4、6之间。具体而言，高温流体流路部12由被一对低温流体流路部4、6和一对侧面束缚部8、10包围的空间规定。高温流体流路部12作为供高温流体(第2流体的一例)流动的高温流体流路发挥功能。高温流体是比低温流体高的温度的流体，例如是从搭载于车辆的发动机排出的排气。
高温流体导入部14及高温流体排出部16在前后方向上空出间隔而互相相对配置。即，高温流体导入部14及高温流体排出部16以将配置于一对低温流体流路部4、6之间的高温流体流路部12从前后方向上的侧方覆盖的方式配置。高温流体导入部14及高温流体排出部16形成为管状，与高温流体流路部12连通。高温流体通过高温流体导入部14而向高温流体流路部12流入，在高温流体流路部12中在前后方向上(从X轴的负侧朝向正侧)流动后，通过高温流体排出部16而向外部排出。
如图2及图3所示，一对热电模块18、20分别配置于高温流体流路部12与一对低温流体流路部4、6之间。即，一对热电模块18、20在上下方向上空出间隔而互相相对配置。
上侧的热电模块18形成为矩形状的平板状，固定于上侧的低温流体流路部4的壳体24的下表面(高温流体流路部12侧的面)。即，上侧的热电模块18以由高温流体流路部12和上侧的低温流体流路部4从上下夹着的方式配置。上侧的热电模块18具有利用塞贝克效应而将基于在高温流体流路部12中流动的高温流体与在上侧的低温流体流路部4中流动的低温流体的温度差的热能变换为电能的热力发电元件(Thermoelectric generator)。
下侧的热电模块20形成为矩形状的平板状，固定于下侧的低温流体流路部6的壳体32的上表面(高温流体流路部12侧的面)。即，下侧的热电模块20以由高温流体流路部12和下侧的低温流体流路部6从上下夹着的方式配置。下侧的热电模块20具有利用塞贝克效应而将基于在高温流体流路部12中流动的高温流体与在下侧的低温流体流路部6中流动的低温流体的温度差的热能变换为电能的热力发电元件。
热电模块18和热电模块20各自的例子也可以是专利文献1所记载的TEG module102。专利文献1示出：TEG module 102包括多个p-type thermoelectric material leg105A和多个n-type thermoelectric material leg105B。
此外，热力发电元件例如具有π型构造。在π型构造的热力发电元件中，P型热电材料和N型热电材料经由安装于陶瓷基板的电极而电串联连接。将各热电材料的一侧配置于高温侧，将另一侧配置于低温侧，在各热电材料的两端设置温度差而使电压差在热力发电元件的两端产生，从而发电。
如图2及图3所示，翅片构造22配置于高温流体流路部12。翅片构造22用于将在高温流体流路部12中流动的高温流体的热向一对热电模块18、20的各自传递。关于翅片构造22的构成，之后详述。
[1-2.翅片构造的构成]
接着，一边参照图2～图5，一边对翅片构造22的构成进行说明。图4是示出实施方式1的翅片构造22的要部剖视图。图5是示出实施方式1的翅片构造22的要部分解立体图。
如图2及图3所示，翅片构造22具备上侧翅片40a和下侧翅片40b。
上侧翅片40a具有固定板42a和连接于固定板42a的多个凸型翅片44a及多个凹型翅片46a。此外，固定板42a、多个凸型翅片44a及多个凹型翅片46a一体形成。固定板42a形成为矩形状的薄板状，固定于上侧的热电模块18的下表面(高温流体流路部12侧的面)。多个凸型翅片44a及多个凹型翅片46a例如呈格子状地配置于固定板42a的下表面，从固定板42a的下表面朝向下侧的热电模块20呈棒状(销状)地突出。即，多个凸型翅片44a及多个凹型翅片46a经由固定板42a而与上侧的热电模块18以能够热传递的方式连接。
此外，也可以取代上述的构成，省略固定板42a，将多个凸型翅片44a及多个凹型翅片46a与上侧的热电模块18的下表面直接以能够热传递的方式连接。即，在本说明书中，“以能够热传递的方式连接”不仅意味着2个构件经由具有传热性的1个以上的构件而互相连接，也意味着2个构件直接接触而热传递。也可以取代上述的构成，上侧翅片40a具有多个凸型翅片44a及多个凹型翅片46a中的一方。
下侧翅片40b具有固定板42b和连接于固定板42b的多个凸型翅片44b及多个凹型翅片46b。此外，固定板42b、多个凸型翅片44b及多个凹型翅片46b一体形成。固定板42b形成为矩形状的薄板状，固定于下侧的热电模块20的上表面(高温流体流路部12侧的面)。多个凸型翅片44b及多个凹型翅片46b例如呈格子状地配置于固定板42b的上表面，从固定板42b的上表面朝向上侧的热电模块18呈棒状(销状)地突出。即，多个凸型翅片44b及多个凹型翅片46b经由固定板42b而与下侧的热电模块20以能够热传递的方式连接。
此外，也可以取代上述的构成，省略固定板42b，将多个凸型翅片44b及多个凹型翅片46b与下侧的热电模块20的上表面直接以能够热传递的方式连接。在取代上述的构成而上侧翅片40a具有多个凸型翅片44a及多个凹型翅片46a中的一方的情况下，下侧翅片40b也可以具有多个凸型翅片44b及多个凹型翅片46b中的另一方。
上侧翅片40a的多个凸型翅片44a分别与下侧翅片40b的多个凹型翅片46b对应地配置，与下侧翅片40b的多个凹型翅片46b嵌合。上侧翅片40a的多个凹型翅片46a分别与下侧翅片40b的多个凸型翅片44b对应地配置，与下侧翅片40b的多个凸型翅片44b嵌合。
上侧翅片40a及下侧翅片40b各自的内部和表面由互相不同的材料形成。上侧翅片40a及下侧翅片40b各自的内部由热传导率高的材料(例如，铜、铜合金、铝、铝合金、不锈钢或陶瓷等)形成。上侧翅片40a及下侧翅片40b各自的表面由耐蚀性高的金属(例如镍、镍合金、铬或铬合金等)涂覆。在涂覆上侧翅片40a及下侧翅片40b各自的表面时，例如能够使用电解镀覆、无电解镀覆或热喷涂等方法。
在此，一边参照图4及图5，一边对上侧翅片40a的凹型翅片46a与下侧翅片40b的凸型翅片44b的嵌合构造进行说明。此外，关于上侧翅片40a的凸型翅片44a与下侧翅片40b的凹型翅片46b的嵌合构造，与上侧翅片40a的凹型翅片46b与下侧翅片40b的凸型翅片44b的嵌合构造相同，因此省略其说明。
如图4及图5所示，凸型翅片44b形成为在上下方向上延伸的圆柱状。凸型翅片44b的根部(与固定板42b的连接部分)呈凸缘状地扩径。
如图4及图5所示，凹型翅片46a形成为在上下方向上延伸的有底圆筒状。凹型翅片46a具有沿着该凹型翅片46a的轴向(Z轴方向)而从该凹型翅片46a的顶端部延伸至根部(与固定板42a的连接部分)附近的截面圆形状的凹部48。凹部48的直径比凸型翅片44b的直径稍大。如图5所示，在凹型翅片46a的周壁部形成有沿着该凹型翅片46a的轴向而从该凹型翅片46a的顶端部延伸至根部的切口部50。切口部50形成为缝隙状，与凹部48连通。
如图4所示，凸型翅片44b与凹型翅片46a的凹部48嵌合。凸型翅片44b的外周面与凹型翅片46a的凹部48的内周面接触。此外，虽然未图示，但在凸型翅片44b的外周面与凹型翅片46a的凹部48的内周面之间存在传热构件。传热构件用于提高凸型翅片44b与凹型翅片46a的滑动性(滑移性)且在凸型翅片44b与凹型翅片46a之间传递热，例如由包含BN(氮化硼)的耐热脂等形成。
如图4所示，在凸型翅片44b的顶端部与凹型翅片46a的凹部48的底部之间形成有间隔部52。例如，在互相嵌合的状态下的凸型翅片44b及凹型翅片46a的整体长度L是50mm的情况下，间隔部52的幅度L1是50μm～100μm。此外，间隔部52的幅度L1也可以为凸型翅片44b及凹型翅片46a的整体长度L的0.1％以上且10％以下。在幅度L1小于整体长度L的0.1％的情况下，无法充分吸收凸型翅片44b及凹型翅片46a的轴向上的热膨胀或热收缩(后述)。在幅度L1超过整体长度L的10％的情况下，无法充分确保凸型翅片44b的外周面与凹型翅片46a的凹部48的内周面的接触面积，凸型翅片44b与凹型翅片46a之间的热传递效率下降。
[1-3.热力发电单元的动作]
接着，一边参照图1及图3，一边对实施方式1的热力发电单元2的动作进行说明。
如图1及图3所示，低温流体通过低温流体导入部26而向上侧的低温流体流路部4的壳体24的低温流体流路30流入，在低温流体流路30中流动后，通过低温流体排出部28而向外部排出。在上侧的低温流体流路部4中流动的低温流体的热向上侧的热电模块18的上表面(低温流体流路部4侧的面)传递，从而上侧的热电模块18的上表面被冷却。
低温流体通过低温流体导入部34而向下侧的低温流体流路部6的壳体32的低温流体流路38流入，在低温流体流路38中流动后，通过低温流体排出部36而向外部排出。在下侧的低温流体流路部6中流动的低温流体的热向下侧的热电模块20的下表面(低温流体流路部6侧的面)传递，从而下侧的热电模块20的下表面被冷却。
如图1及图3所示，高温流体通过高温流体导入部14而向高温流体流路部12流入，在高温流体流路部12中在前后方向上流动后，通过高温流体排出部16而向外部排出。在高温流体流路部12中流动的高温流体的热经由上侧翅片40a及下侧翅片40b而向上侧的热电模块18的下表面传递。具体而言，在高温流体流路部12中流动的高温流体的热经由互相嵌合的上侧翅片40a的凸型翅片44a及下侧翅片40b的凹型翅片46a以及固定板42a而向上侧的热电模块18的下表面传递，并且经由互相嵌合的上侧翅片40a的凹型翅片46a及下侧翅片40b的凸型翅片44b以及固定板42a而向上侧的热电模块18的下表面传递。此时，在互相嵌合的凸型翅片44a与凹型翅片46a之间及互相嵌合的凹型翅片46a与凸型翅片44b之间传递高温流体的热。由此，上侧的热电模块18的下表面被加热。
在高温流体流路部12中流动的高温流体的热经由上侧翅片40a及下侧翅片40b而向下侧的热电模块20的上表面传递。具体而言，在高温流体流路部12中流动的高温流体的热经由互相嵌合的上侧翅片40a的凸型翅片44a及下侧翅片40b的凹型翅片46a以及固定板42b而向下侧的热电模块20的上表面传递，并且经由互相嵌合的上侧翅片40a的凹型翅片46a及下侧翅片40b的凸型翅片44b以及固定板42b而向下侧的热电模块20的上表面传递。此时，在互相嵌合的凸型翅片44a与凹型翅片46a之间及互相嵌合的凹型翅片46a与凸型翅片44b之间传递高温流体的热。由此，下侧的热电模块20的上表面被加热。
如以上这样，在上侧的热电模块18的厚度方向(Z轴方向)上，如下表面侧为高温、上表面侧为低温这样提供温度差(温度梯度)。由此，上侧的热电模块18通过下表面侧与上表面侧的温度差(即，高温流体与低温流体的温度差)而发电。
在下侧的热电模块20的厚度方向(Z轴方向)上，如上表面侧为高温、下表面侧为低温这样提供温度差(温度梯度)。由此，下侧的热电模块20通过上表面侧与下表面侧的温度差(即，高温流体与低温流体的温度差)而发电。
[1-4.效果]
在本实施方式中，由于在高温流体流路部12配置有翅片构造22，所以能够将在高温流体流路部12中流动的高温流体的热经由翅片构造22而向一对热电模块18、20的各自高效地传递。其结果，能够使向一对热电模块18、20的各自提供的温度差增大，能够提高一对热电模块18、20的各自中的发电量及热力发电变换效率。
在本实施方式中，翅片构造22具有凸型翅片44b与凹型翅片46a的嵌合构造。因而，即使在因在高温流体流路部12中流动的高温流体的温度变化而互相嵌合的凸型翅片44b及凹型翅片46a发生了热膨胀或热收缩的情况下，凸型翅片44b的外周面和凹型翅片46a的凹部48的内周面也在轴向(Z轴方向)上相对滑动。此时，通过形成于凸型翅片44b的顶端部与凹型翅片46a的凹部48的底部之间的间隔部52，凸型翅片44b及凹型翅片46a的轴向上的热膨胀或热收缩被吸收。
其结果，能够吸收向一对热电模块18、20的各自施加的应力，能够抑制由高温流体的温度变化引起的一对热电模块18、20的变形。
此外，为了将翅片构造22的总传热系数(总热传导系数)最大化、将一对热电模块18、20的各自中的发电量最大化，间隔部52的幅度L1也可以更小。例如，在对于具有10-5(1/K)左右的线热膨胀系数的整体长度L1为50mm左右的凸型翅片44a及凹型翅片46b产生400℃左右的温度变化的情况下，产生20μm左右的热膨胀。因而，通过将间隔部52的幅度L1设为50～100μm左右，能够兼顾应力降低和热传递效率的提高。
互相嵌合的状态下的凸型翅片44b及凹型翅片46a的整体长度L越长，则与高温流体的接触面积越增大，因此能够进一步提高一对热电模块18、20的各自中的发电量及热力发电变换效率。
由于在凹型翅片46a形成有切口部50，所以能够实现凹型翅片46a的径向上的变形。由此，能够吸收凸型翅片44b及凹型翅片46a的径向上的热膨胀或热收缩。
此外，通过凸型翅片44a与凹型翅片46b的嵌合构造而得到的效果与通过上述的凸型翅片44b与凹型翅片46a的嵌合构造而得到的效果是同样的，因此省略其说明。
[1-5.变形例1]
接着，一边参照图6，一边对实施方式1的变形例1的翅片构造22A的构成进行说明。图6是示出实施方式1的变形例1的翅片构造22A的要部剖视图。
如图6所示，在变形例1的翅片构造22A中，在间隔部52设置有施力构件54。施力构件54例如是螺旋弹簧。此外，施力构件54例如由能够直到350℃为止兼顾耐热性和弹簧性的Inconel(注册商标)形成。施力构件54对凹型翅片46a朝向上侧的热电模块18施力，且对凸型翅片44b朝向下侧的热电模块20施力。
由此，能够将凹型翅片46a及凸型翅片44b分别按压于上侧的热电模块18及下侧的热电模块20。其结果，能够使上侧的热电模块18和上侧翅片40a可靠地以能够热传递的方式接触，并且能够使下侧的热电模块20和下侧翅片40b可靠地以能够热传递的方式接触。
[1-6.变形例2]
接着，一边参照图7，一边对实施方式1的变形例2的翅片构造22B的构成进行说明。图7是示出实施方式1的变形例2的翅片构造22B的要部分解立体图。
如图7所示，在变形例2的翅片构造22B中，在上侧翅片40Ba的凹型翅片46Ba除了上述的切口部50之外还形成有切口部56。切口部56配置于相对于凹型翅片46Ba的中心轴而与切口部50大致对称的位置。切口部56沿着凹型翅片46Ba的轴向而从该凹型翅片46Ba的顶端部延伸至根部。切口部56形成为缝隙状，与凹部48连通。
这样，由于在凹型翅片46Ba形成有一对切口部50、56，所以凹型翅片46Ba的径向上的变形更容易。由此，能够更有效地吸收凸型翅片44b及凹型翅片46Ba的径向上的热膨胀或热收缩。
[1-7.变形例3]
接着，一边参照图8，一边对实施方式1的变形例3的翅片构造22C的构成进行说明。图8是示出实施方式1的变形例3的翅片构造22C的要部分解立体图。
如图8所示，在变形例3的翅片构造22C中，下侧翅片40Cb的凸型翅片44Ca的外周面形成为从根部朝向顶端部而直径渐减的锥状。上侧翅片40Ca的凹型翅片46Ca的凹部48C的内周面形成为从开口部朝向底部而直径渐减的锥状。此外，在凹型翅片46Ca未形成上述的切口部。
由此，能够将伴随于热膨胀或热收缩的应力在凸型翅片44Ca及凹型翅片46Ca的径向上释放。由于凸型翅片44Ca及凹型翅片46Ca的轴向上的弱的撑顶应力残留，所以能够一边维持上侧的热电模块18(参照图4)与上侧翅片40Ca的接触及下侧的热电模块20(参照图4)与下侧翅片40Cb的接触，一边将界面热阻保持得低，能够确保高温流体与一对热电模块18、20的各自之间的热传递性能。
此外，在本实施方式中，在凹型翅片46Ca未形成切口部，但不限定于此，也可以在凹型翅片46Ca形成1个或多个切口部。
(实施方式2)
一边参照图9，一边对实施方式2的热力发电单元2D的构成进行说明。图9是示出实施方式2的热力发电单元2D的分解立体图。此外，在本实施方式中，对与上述实施方式1的构成要素相同的构成要素标注相同的附图标记，省略其说明。为了方便说明，在图9中，省略了在上述实施方式1中说明的一对侧面束缚部8、10(参照图2)的图示。
如图9所示，在实施方式2的热力发电单元2D中，一对热电模块18、20及它们之间的翅片构造22夹着中央部的低温流体流路部58而在上下方向上2组堆叠(层叠)。此外，低温流体流路部58与上述的一对低温流体流路部4、6同样地构成。通过这样的堆叠构造，能够将热力发电单元2D紧凑地构成。
此外，在本实施方式中，将一对热电模块18、20及它们之间的翅片构造22在上下方向上2组堆叠，但不限定于此，也可以3组以上堆叠。
(其他的实施方式)
以上，关于本公开的1个或多个方案的热力发电单元，基于实施方式进行了说明，但本公开不限定于该实施方式。只要不脱离本公开的主旨，则将本领域技术人员想到的各种变形对本实施方式实施而得到的技术也包含于本公开的1个或多个方案的范围内。
在上述各实施方式中，将高温流体设为排气，将低温流体设为冷水或冷风，但不限于此，高温流体及低温流体的各自也可以是任意的液体或气体(gas)。
产业上的可利用性
本公开的热力发电单元能够作为例如利用从汽车、工场等排出的排气的热能来发电的发电机或小型的便携用发电机等而应用。
附图标记说明
2、2D热力发电单元
4、6、58低温流体流路部
8、10侧面束缚部
12高温流体流路部
14高温流体导入部
16高温流体排出部
18、20热电模块
22、22A、22B、22C翅片构造
24、32壳体
26、34低温流体导入部
28、36低温流体排出部
30、38低温流体流路
40a、40Ba、40Ca上侧翅片
40b、40Cb下侧翅片
42a、42b固定板
44a、44b、44Ca凸型翅片
46a、46b、46Ba、46Ca凹型翅片
48、48C凹部
50、56切口部
52间隔部
54施力构件
Claims (12)
1.一种热力发电单元，利用第1流体与比所述第1流体高的温度的第2流体的温度差来发电，其中，具备：
一对第1流体流路部，互相相对配置，各自供所述第1流体流动；
第2流体流路部，配置于所述一对第1流体流路部之间，供所述第2流体流动；
一对热电模块，分别配置于所述第2流体流路部与所述一对第1流体流路部之间，将基于所述第1流体与所述第2流体的温度差的热能变换为电能；
棒状的凸型翅片，配置于所述第2流体流路部，与所述一对热电模块的一方以能够热传递的方式连接，朝向所述一对热电模块的另一方突出；及
棒状的凹型翅片，配置于所述第2流体流路部，与所述一对热电模块的另一方以能够热传递的方式连接，朝向所述一对热电模块的一方突出，
所述凹型翅片具有与所述凸型翅片嵌合的凹部，
所述凸型翅片的外周面和所述凹型翅片的所述凹部的内周面接触，且在所述凸型翅片的顶端部与所述凹型翅片的所述凹部的底部之间形成有间隔部。
2.根据权利要求1所述的热力发电单元，
所述间隔部的幅度为互相嵌合的状态下的所述凸型翅片及所述凹型翅片的整体长度的0.1％以上且10％以下。
3.根据权利要求1或2所述的热力发电单元，
所述凸型翅片的所述外周面及所述凹型翅片的所述凹部的所述内周面的各自形成为锥状。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的热力发电单元，
在所述凹型翅片形成有沿着所述凹型翅片的轴向延伸的切口部。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的热力发电单元，
在所述凸型翅片的所述外周面与所述凹型翅片的所述凹部的所述内周面之间存在用于对所述凸型翅片与所述凹型翅片之间赋予滑动性且在所述凸型翅片与所述凹型翅片之间传递热的传热构件。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的热力发电单元，
所述热力发电单元还具备配置于所述间隔部且对所述凸型翅片及所述凹型翅片分别朝向所述一对热电模块的一方及另一方施力的施力构件。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的热力发电单元，
所述凸型翅片及所述凹型翅片各自的内部和表面由互相不同的材料形成。
8.根据权利要求7所述的热力发电单元，
所述凸型翅片及所述凹型翅片各自的内部由铜、铜合金、铝、铝合金、不锈钢或陶瓷形成。
9.根据权利要求7或8所述的热力发电单元，
所述凸型翅片及所述凹型翅片各自的表面由镍、镍合金、铬或铬合金形成。
10.一种热力发电单元，包括：
第1流路；
第2流路；
配置于所述第1流路与所述第2流路之间的第3流路；
配置于所述第1流路与所述第3流路之间的第1器件，所述第1器件将基于在所述第1流路中流动的第1流体的温度与在所述第3流路中流动的第3流体的温度的差的热能变换为电能；
配置于所述第2流路与所述第3流路之间的第2器件，所述第2器件将基于在所述第2流路中流动的第2流体的温度与所述第3流体的温度的差的热能变换为电能；
第1翅片，具有第1底面和凸部，配置于所述第3流路；及
第2翅片，具有第2底面和与所述凸部嵌合的凹型，配置于所述第3流路，
所述第1底面直接或经由第1构件而固定于所述第1器件，
所述第2底面直接或经由第2构件而固定于所述第2器件，
所述第1翅片与所述第1器件的距离比所述第1翅片与所述第2器件的距离小，
所述第2翅片与所述第2器件的距离比所述第2翅片与所述第1器件的距离小，
所述第2底部与所述凸部的距离比所述第2底部与所述凹部的距离大。
11.根据权利要求10所述的热力发电单元，
所述第3流体的所述温度比所述第1流体的所述温度和所述第2流体的所述温度高。
12.根据权利要求10所述的热力发电单元，
所述第1构件与所述第1器件和所述第1底面直接相接，
所述第2构件与所述第2器件和所述第2底面直接相接。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020-103103 | 2020-06-15 | ||
| JP2020103103 | 2020-06-15 | ||
| PCT/JP2021/019289 WO2021256163A1 (ja) | 2020-06-15 | 2021-05-21 | 熱発電ユニット |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115699554A true CN115699554A (zh) | 2023-02-03 |
Family
ID=79267791
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202180042395.XA Pending CN115699554A (zh) | 2020-06-15 | 2021-05-21 | 热力发电单元 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11957056B2 (zh) |
| EP (1) | EP4167465A4 (zh) |
| JP (1) | JPWO2021256163A1 (zh) |
| CN (1) | CN115699554A (zh) |
| WO (1) | WO2021256163A1 (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023248840A1 (ja) * | 2022-06-24 | 2023-12-28 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 熱電変換モジュール、熱電変換装置、発電方法及び伝熱方法 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002199762A (ja) * | 2000-12-21 | 2002-07-12 | Kishino Shoji | 排熱熱電変換装置、それを使用した排気ガス排出システム、およびそれを使用した車両 |
| JP5267336B2 (ja) * | 2009-05-29 | 2013-08-21 | いすゞ自動車株式会社 | 熱電ユニット |
| JP2011119420A (ja) * | 2009-12-03 | 2011-06-16 | Isuzu Motors Ltd | 受熱構造体、その製造方法および受熱構造体を備えた熱電変換装置 |
| DE102010054432B4 (de) * | 2010-12-14 | 2023-02-09 | Friedrich Boysen Gmbh & Co. Kg | Vorrichtung zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie sowie Anlage und Abgasanlage mit einer solchen Vorrichtung |
| KR20150106328A (ko) | 2012-06-25 | 2015-09-21 | 지엠제트 에너지 인코퍼레이티드 | 구배 열 교환기를 사용한 열전 동력 생성 시스템 |
| DE102015210398A1 (de) * | 2015-06-05 | 2016-12-08 | Bombardier Transportation Gmbh | Thermoelektrischer Generator zur Umwandlung von Wärme eines heißen Gasstroms in elektrische Energie |
| KR20200046195A (ko) * | 2018-10-22 | 2020-05-07 | 한국에너지기술연구원 | 자동차배열 열전발전장치용 열교환기 |
-
2021
- 2021-05-21 WO PCT/JP2021/019289 patent/WO2021256163A1/ja unknown
- 2021-05-21 CN CN202180042395.XA patent/CN115699554A/zh active Pending
- 2021-05-21 JP JP2022532414A patent/JPWO2021256163A1/ja active Pending
- 2021-05-21 EP EP21826320.0A patent/EP4167465A4/en active Pending
-
2022
- 2022-11-21 US US18/057,759 patent/US11957056B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPWO2021256163A1 (zh) | 2021-12-23 |
| US20230081621A1 (en) | 2023-03-16 |
| EP4167465A4 (en) | 2023-11-15 |
| EP4167465A1 (en) | 2023-04-19 |
| WO2021256163A1 (ja) | 2021-12-23 |
| US11957056B2 (en) | 2024-04-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102369611B (zh) | 热电发电机单元 | |
| JP5787755B2 (ja) | 電気エネルギーを発生させる装置を備える熱交換管束、及びこの管束を備える熱交換器 | |
| JP6556211B2 (ja) | 熱電モジュール及び熱電デバイス、特に自動車の電流生成熱電モジュール及び熱電デバイス | |
| US20110100406A1 (en) | Split thermo-electric structure and devices and systems that utilize said structure | |
| JP4872741B2 (ja) | 熱電発電装置 | |
| KR20030064292A (ko) | 열전모듈 | |
| US7985918B2 (en) | Thermoelectric module | |
| JP2775410B2 (ja) | 熱電発電モジュール | |
| US9293679B2 (en) | Thermoelectric module for a thermoelectric generator of a vehicle and vehicle having thermoelectric modules | |
| EP3020077B1 (en) | Thermoelectric generator | |
| WO2018045362A1 (en) | Thermoelectric heat energy recovery module generator for application in a stirling-electric hybrid automobile | |
| US11957056B2 (en) | Thermoelectric conversion unit | |
| JP2015140713A (ja) | 熱電発電装置 | |
| US20090301538A1 (en) | Thermoelectric module | |
| US20160351777A1 (en) | Thermoelectric generation device for vehicle | |
| JP5141434B2 (ja) | 熱電モジュール | |
| US20240196748A1 (en) | Thermoelectric conversion unit and method of using same | |
| EP4167464A1 (en) | Thermal power generation unit | |
| EP4056823B1 (en) | Thermoelectric generator for vehicle | |
| US20240244976A1 (en) | Thermoelectric conversion unit, method of manufacturing thermoelectric conversion unit, and method of using thermoelectric conversion unit | |
| JP2022043666A (ja) | 熱電変換装置 | |
| US20160163946A1 (en) | Thermoelectric generator | |
| JPH0829083A (ja) | 熱電変換素子用熱交換器 | |
| WO2008076378A1 (en) | A thermoelectric module |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |