JP2003273412A - 熱電変換装置 - Google Patents

熱電変換装置

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JP2003273412A
JP2003273412A JP2002069544A JP2002069544A JP2003273412A JP 2003273412 A JP2003273412 A JP 2003273412A JP 2002069544 A JP2002069544 A JP 2002069544A JP 2002069544 A JP2002069544 A JP 2002069544A JP 2003273412 A JP2003273412 A JP 2003273412A
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JP
Japan
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temperature
low
thermoelectric semiconductor
semiconductor element
temperature tube
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JP2002069544A
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Inventor
Takeshi Komatsu
武志 小松
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 単位体積当たりの熱の移動効率が高く、熱電
変換効率の高い熱電変換装置を提供する。 【解決手段】 高温流体の流路Hを形成する高温管1か
ら低温流体の流路Cを形成する低温管2への熱の移動
は、両者の間に介設された熱電半導体素子群4を介して
高温管1からその四方の低温管2へと4方向に行われ
る。このため、単位体積当たりの熱の移動効率が高く、
ゼーベック効果による発電効率やペルチェ効果による熱
媒体の加熱、冷却効率などの熱電変換効率として、高い
変換効率が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、熱電半導体素子の
熱電効果により熱エネルギと電気エネルギとの変換を行
う熱電変換装置に関し、詳しくは、その変換効率を向上
させた熱電変換装置に関するものである。 【0002】 【従来の技術】熱電半導体素子の熱電効果により熱エネ
ルギと電気エネルギとの変換を行う熱電変換装置とし
て、従来、図5に示すような要部構造を有する装置が知
られている。この熱電変換装置においては、高温流体の
流路Hを形成する扁平な高温管11と、低温流体の流路
Cを形成する扁平な低温管12とが交互に所定間隔を開
けて平行に複数配列されている。これらの扁平な高温管
11と低温管12との間には、それぞれ複数の絶縁性断
熱体13が所定間隔を開けて配設されており、各絶縁性
断熱体13の間に熱電半導体素子群14の収容空間15
が複数形成されている。そして、各収容空間15には、
それぞれ熱電半導体素子群14が収容されている。 【0003】前記熱電半導体素子群14は、熱源に対し
て逆の極性を呈するn型熱電半導体素子14nとp型熱
電半導体素子14pとが交互に電極16を介して直列に
接続されたものであり、各n型熱電半導体素子14nお
よびp型熱電半導体素子14pの一端部が高温管11ま
たは低温管12の一方に接触し、他端部が高温管11ま
たは低温管12の他方に接触するように収容されてい
る。 【0004】このような熱電変換装置では、各高温管1
1内の流路Hに高温の水蒸気を流通させ、各低温管12
内の流路Cに低温の冷水を流通させることで、各熱電半
導体素子群14の各n型熱電半導体素子14nは高温管
11に接触する一端部が正に帯電し、低温管12に接触
する他端部が負に帯電する。一方、各p型熱電半導体素
子14pは高温管11に接触する一端部が負に帯電し、
低温管12に接触する他端部が正に帯電する。こうし
て、各熱電半導体素子群14の各n型熱電半導体素子1
4nおよびp型熱電半導体素子14pがゼーベック効果
により起電力を発生することで、熱電変換装置が発電可
能となる。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】ところで、前記の図5
に示したような熱電変換装置は、扁平な高温管11と低
温管12とが交互に所定間隔を開けて平行に複数配列さ
れた構造であり、高温管11から低温管12への熱の移
動は、両者の間に介設された複数列の熱電半導体素子群
14を介して高温管11からその両側の低温管12,1
2へと2方向にのみ行われる。このため、単位体積当た
りの熱の移動効率が低く、ゼーベック効果による発電効
率やペルチェ効果による熱媒体の加熱、冷却効率などの
熱電変換効率が低いという問題がある。 【0006】そこで、本発明は、単位体積当たりの熱の
移動効率が高く、熱電変換効率の高い熱電変換装置を提
供することを課題とする。 【0007】 【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めの手段として、本発明に係る熱電変換装置は、高温流
体の流路を形成する複数の高温管および低温流体の流路
を形成する複数の低温管を交互に所定間隔を開けて平行
に縦横に配列し、斜め方向に隣接する高温管同士および
低温管同士の間の空間に絶縁性断熱体を配設し、縦横方
向に隣接する高温管と低温管との間に熱電半導体素子群
の収容空間を複数形成し、各収容空間には、交互に電気
的に直列に接続された複数のn型熱電半導体素子および
p型熱電半導体素子を収容し、各n型熱電半導体素子お
よびp型熱電半導体素子の両端部を前記高温管および低
温管に接触させて構成したことを特徴とする。 【0008】本発明に係る熱電変換装置では、高温管か
ら低温管への熱の移動は、両者の間に介設された熱電半
導体素子群を介して高温管からその四方の低温管へと4
方向に行われる。このため、単位体積当たりの熱の移動
効率が高く、ゼーベック効果による発電効率やペルチェ
効果による熱媒体の加熱、冷却効率などの熱電変換効率
として、高い変換効率が得られる。 【0009】 【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る熱電変換装置の実施の形態を説明する。参照する図面
において、図1は一実施形態に係る熱電変換装置の要部
構造を模式的に示す斜視図、図2は図1に示した熱電半
導体素子群を示す斜視図である。 【0010】一実施形態に係る熱電変換装置において
は、図1に示すように、高温流体の流路Hを形成する複
数の高温管1および低温流体の流路Cを形成する複数の
低温管2が交互に所定間隔を開けて平行に縦横に配列さ
れている。これらの高温管1および低温管2は、縦方向
および横方向には高温管1と低温管2とが交互に隣接
し、斜め方向には高温管1同士および低温管2同士が隣
接する。 【0011】前記の高温管1および低温管2は角パイプ
状に構成されており、その内部の流路Hおよび流路C
は、一辺が50μm〜1mm程度に設定されている。高
温管1および低温管2の材料としては、例えば銅、銅合
金、低炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタ
ン等を用いることができるが、これらに限るものではな
い。高温管1および低温管2の両端部は図示しない支持
プレートに支持されている。そして、高温管1には図示
しない蒸気供給源からの高温の蒸気が熱媒体として流通
し、低温管2には図示しない冷水供給源からの冷水が熱
媒体として流通するように構成されている。 【0012】前記のように斜め方向に隣接する高温管1
同士の間の空間および低温管2同士の間の空間には、複
数の絶縁性断熱体3がそれぞれ配設されている。これら
の絶縁性断熱体3は、セラミックス性断熱材やガラス材
を角棒状に形成したものであり、その両端部は前記高温
管1および低温管2と共に図示しない前記支持プレート
に支持されている。 【0013】ここで、前記のように縦方向および横方向
に隣接する高温管1と低温管2との間には、熱電半導体
素子群4の収容空間5が前記絶縁性断熱体3により区画
されて複数形成されている。そして、各収容空間5に
は、図2の(a)〜(d)に示すような熱電半導体素子
群4がそれぞれ収容されている。 【0014】前記熱電半導体素子群4は、熱源に対して
逆の極性を呈するn型熱電半導体素子4nとp型熱電半
導体素子4pとが交互に電極6を介して電気的に直列に
接続されたものである。各n型熱電半導体素子4nおよ
びp型熱電半導体素子4pは、図3および図4に示すよ
うに、その両端面が前記高温管1および低温管2に接触
するようにその長さが50μm〜1mmの範囲で設定さ
れ、その幅は高温管1と低温管2との間隔に対応して5
0μm〜1mmの範囲で設定される。図3および図4に
示す例では、各n型熱電半導体素子4nおよびp型熱電
半導体素子4pの幅は、高温管1と低温管2との間隔よ
り小さく設定されている。 【0015】図2の(a)に示す熱電半導体素子群4
は、図1に示すように高温流体の流路Hを形成する高温
管1の上面と低温流体の流路Cを形成する低温管2の下
面との間に介設されるものであり、図3に示すように、
各n型熱電半導体素子4nは下端面が高温管1の上面に
接触して正に帯電し、上端面が低温管2の下面に接触す
る負に帯電すると共に、図4に示すように、各p型熱電
半導体素子4pは下端面が高温管1の上面に接触して負
に帯電し、上端面が低温管2の下面に接触して正に帯電
する。 【0016】図2の(b)に示す熱電半導体素子群4
は、図1に示すように高温管1の下面と低温管2の上面
との間に介設されるものであり、図3に示すように、各
n型熱電半導体素子4nは上端面が高温管1下面に接触
して正に帯電し、下端面が低温管2の上面に接触して負
に帯電すると共に、図4に示すように、各p型熱電半導
体素子4pは上端面が高温管1下面に接触して負に帯電
し、下端面が低温管2の上面に接触して正に帯電する。 【0017】図2の(c)に示す熱電半導体素子群4
は、図1に示すように高温管1の右側面と低温管2の左
側面との間に介設されるものであり、図3に示すよう
に、各n型熱電半導体素子4nは左端面が高温管1の右
側面に接触して正に帯電し、右端面が低温管2の左側面
に接触して負に帯電すると共に、図4に示すように、各
p型熱電半導体素子4pは左端面が高温管1の右側面に
接触して負に帯電し、右端面が低温管2の左側面に接触
して正に帯電する。 【0018】図2の(d)に示す熱電半導体素子群4
は、図1に示すように高温管1の左側面と低温管2の右
側面との間に介設されるものであり、図3に示すよう
に、各n型熱電半導体素子4nは右端面が高温管1の左
側面に接触して正に帯電し、左端面が低温管2の右側面
に接触して負に帯電すると共に、図4に示すように、各
p型熱電半導体素子4pは右端面が高温管1の右側面に
接触して負に帯電し、左端面が低温管2の右側面に接触
して正に帯電する。 【0019】以上のように構成された一実施形態の熱電
変換装置では、図1に示す各高温管1内の流路Hに高温
の水蒸気を流通させ、各低温管2内の流路Cに低温の冷
水を流通させることで、各熱電半導体素子群4の各n型
熱電半導体素子4nは、高温管1に接触する一端面が正
に帯電し、低温管2に接触する他端面が負に帯電する。
同時に、各熱電半導体素子群4の各p型熱電半導体素子
4pは、高温管1に接触する一端面が負に帯電し、低温
管2に接触する他端面が正に帯電する。こうして、各熱
電半導体素子群4の各n型熱電半導体素子4nおよびp
型熱電半導体素子4pがゼーベック効果により起電力を
発生する。そこで、各熱電半導体素子群4の両端部に電
気負荷を接続することで、一実施形態の熱電変換装置は
発電可能となる。 【0020】また、一実施形態の熱電変換装置は、各熱
電半導体素子群4の両端部に電力を供給することで、各
n型熱電半導体素子4nおよびp型熱電半導体素子4p
がペルチェ効果を発揮し、高温管1内の熱媒体の加熱
や、低温管2内の熱媒体の冷却などの機能を発揮する。 【0021】ここで、一実施形態の熱電変換装置におい
ては、図1に示すように、高温管1から低温管2への熱
の移動は、両者の間に介設された熱電半導体素子群4を
介して高温管1からその四方の低温管2へと4方向に行
われる。このため、一実施形態の熱電変換装置は、単位
体積当たりの熱の移動効率が飛躍的に増大し、ゼーベッ
ク効果による発電効率やペルチェ効果による熱媒体の加
熱、冷却効率などの熱電変換効率として、飛躍的に高い
変換効率が得られる。 【0022】なお、本発明の熱電変換装置において、前
記熱電半導体素子群4を構成する各n型熱電半導体素子
4nおよびp型熱電半導体素子4pの幅を高温管1と低
温管2との間隔に合致するように設定すれば、高温管1
から低温管2への熱の移動が無駄なく行われるようにな
り、単位体積当たりの熱の移動効率がさらに増大し、一
層高い変換効率が得られる。 【0023】 【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る熱電
変換装置によれば、高温管から低温管への熱の移動は、
両者の間に介設された熱電半導体素子群を介して高温管
からその四方の低温管へと4方向に行われる。このた
め、単位体積当たりの熱の移動効率が高く、ゼーベック
効果による発電効率やペルチェ効果による熱媒体の加
熱、冷却効率などの熱電変換効率として、高い変換効率
を得ることができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の一実施形態に係る熱電変換装置の要部
構造を模式的に示す斜視図である。 【図2】図1に示した熱電半導体素子群を示す斜視図で
ある。 【図3】図1に示した高温管および低温管に対する熱電
半導体素子群の各n型熱電半導体素子の接触状況を模式
的に示す要部断面図である。 【図4】図1に示した高温管および低温管に対する熱電
半導体素子群の各p型熱電半導体素子の接触状況を模式
的に示す要部断面図である。 【図5】従来例に係る熱電変換装置の要部構造を模式的
に示す斜視図である。 【符号の説明】 1 :高温管 2 :低温管 3 :絶縁性断熱体 4 :熱電半導体素子群 4n:n型熱電半導体素子 4p:p型熱電半導体素子 5 :収容空間 6 :電極 H :高温流体の流路 C :低温流体の流路

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 高温流体の流路を形成する複数の高温管
    および低温流体の流路を形成する複数の低温管を交互に
    所定間隔を開けて平行に縦横に配列し、斜め方向に隣接
    する高温管同士および低温管同士の間の空間に絶縁性断
    熱体を配設し、縦横方向に隣接する高温管と低温管との
    間に熱電半導体素子群の収容空間を複数形成し、各収容
    空間には、交互に電気的に直列に接続された複数のn型
    熱電半導体素子およびp型熱電半導体素子を収容し、各
    n型熱電半導体素子およびp型熱電半導体素子の両端部
    を前記高温管および低温管に接触させて構成したことを
    特徴とする熱電変換装置。
JP2002069544A 2002-03-14 2002-03-14 熱電変換装置 Pending JP2003273412A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009081970A (ja) * 2007-09-27 2009-04-16 Ihi Marine United Inc 熱電発電装置及び該熱電発電装置を用いた発電システム
JP2012023258A (ja) * 2010-07-16 2012-02-02 Matsumoto Kenzai:Kk 温度差発電装置及び温度差発電方法
CN104135190A (zh) * 2014-01-24 2014-11-05 吴佳明 一种利用自然温差发电的半导体装置
CN105703463A (zh) * 2016-04-07 2016-06-22 上海电力学院 一种应用于锅炉省煤器的温差发电储能及输电***
CN105896709A (zh) * 2016-04-07 2016-08-24 上海电力学院 一种应用于锅炉再热器的温差发电储能及输电***

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CN105703463A (zh) * 2016-04-07 2016-06-22 上海电力学院 一种应用于锅炉省煤器的温差发电储能及输电***
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