JP2009272327A - 熱電変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】工場や発電所などで利用されずに捨てられている３００℃以下の排熱を回収して効率良く発電を行うことで、省エネ化を実現することにある。
【解決手段】熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換可能な熱電変換モジュール１と、この熱電変換モジュールの高温側面を加熱する熱源２と、熱電変換モジュールの低温側面を冷却する冷却源と、この冷却源と熱電変換モジュール１との間で熱交換を行って熱電変換モジュールの低温側面を冷却する冷却デバイス３と、熱源２と熱電変換モジュール１との間、及び冷却デバイス３と熱電変換モジュール１との間の熱伝導を補助する高熱伝導性材料４と、熱源２及び冷却デバイス３を除く周囲部に設けられ、外部への放熱を最小化するための断熱材５とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、工場や発電所、あるいは高温の機器から発生する排熱を利用して効率の良い発電と省エネルギーに寄与する熱電変換システムに関する。

熱電変換モジュールは、一般にＰ型素子（Ｐ型半導体）及びＮ型素子（Ｎ型半導体）が電極を介してセラミックス基板（絶縁板）に挟まれた構造となっている。

これらＰ型素子及びＮ型素子は、金属部材からなる電極を介して交互に接合されることで、Ｐ型素子とＮ型素子とのＰＮ素子対（ＰＮ半導体対）を形成している。そして、熱電変換モジュール全体としては、多数のＰＮ素子対が接続されており、ＰＮ素子対の始点及び終点にはリード線が接続される。

このように構成された熱電変換モジュールにおいて、二枚のセラミックス基板のうち一枚（以下、低温端面と呼ぶ）を冷却水などで冷やし、反対側のもう一枚（以下、高温端面と呼ぶ）に熱を加えると、低温側電極と高温側電極の間に起電力を発生して電流が流れる。すなわち、熱電変換モジュールの両側に温度差を与えるように熱電変換システムを構築することにより、熱電変換モジュールから電力を取り出すことができる。

従来、この種の熱電変換システムとしては、熱電変換モジュールを用いて、自動車のエンジン等から排出される排ガスの排熱を回収して電力に変換する車載用排熱発電装置（特許文献１）や、焼却炉、溶融炉等の高温炉の炉壁に熱電変換モジュールを取付けて発電を行う炉壁用熱電変換装置（特許文献２）がある。
特許第３５６４２７４号公報 特願平１０−１９００７３号公報

しかし、排ガスの排熱を利用した車載用排熱発電装置及び焼却炉や溶融炉などの高温炉の炉壁温度を利用した炉壁用熱電変換装置においては、熱電変換モジュールの高温端面が受け取る排熱の温度が５００℃〜１０００℃の高温であることから、熱電変換モジュールの高温端面と低温端面との間の温度勾配を大きくとれるが、排熱温度が比較的低温の未利用熱を対象とする場合には、熱電変換モジュールの高温端面と低温端面との間の温度勾配を大きくとることが難しいという問題がある。

本発明は、上記ような事情に鑑みてなされたもので、熱電変換モジュールの高温端面と低温端面との間の温度勾配を大きくとることを可能にして、工場や発電所などで利用されずに捨てられている排熱を回収して効率良く発電を行うことが可能となり、省エネルギー化を図ることができる熱電変換システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成すめため、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換可能な熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールの高温側面を加熱する熱源と、冷却源と、この冷却源と前記熱電変換モジュールとの間で熱交換を行って前記熱電変換モジュールの低温側面を冷却する冷却デバイスと、前記熱源と前記熱電変換モジュールとの間、及び前記冷却デバイスと前記熱電変換モジュールとの間の熱伝導を補助する高熱伝導性材料と、前記熱源及び前記冷却デバイスを除く周囲部に設けられ、外部への放熱を最小化するための断熱材とを備える。

また、本発明は、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換可能な熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールの高温側面を加熱する熱源と、この熱源と前記熱電変換モジュールとの間で熱交換を行う加熱デバイスと、前記熱電変換モジュールの低温側面を冷却する冷却源と、この冷却源と前記熱電変換モジュールとの間で熱交換を行う冷却デバイスと、前記加熱デバイスと前記熱電変換モジュールとの間、及び前記冷却デバイスと前記熱電変換モジュールとの間の熱伝導を補助する高熱伝導性材料と、前記熱源及び前記冷却源並びに加熱デバイス、冷却デバイスを除く周囲部に設けられ、外部への放熱を最小化するための断熱材とを備える。

さらに、本発明は、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換可能な熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールの低温側面が冷却源により冷却される冷却デバイスと、前記熱電変換モジュールの高温側面と熱源との間、及び前記熱電変換モジュールの低温側面と前記冷却デバイスとの間の熱伝導を補助する高熱伝導性材料と、前記熱源及び前記冷却デバイスを除く周囲部に設けられ、外部への放熱を最小化するための断熱材とを備える。

また、本発明は、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換可能な熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールの低温側面が冷却源により冷却される冷却デバイスと、前記熱電変換モジュールの高温側面側が熱源により加熱される加熱デバイスと、前記熱電変換モジュールの高温側面と加熱デバイスとの間、及び前記熱電変換モジュールの低温側面と前記冷却デバイスとの間の熱伝導を補助する高熱伝導性材料と、前記加熱デバイス及び前記冷却デバイスを除く周囲部に設けられ、外部への放熱を最小化するための断熱材とを備える。

本発明によれば、熱電変換モジュールの高温端面と低温端面との間の温度勾配を大きくとることで、工場や発電所などで利用されずに捨てられている比較的低温の排熱を回収して効率良く発電を行うことが可能となり、省エネ化を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明による熱電変換システムの第１の実施形態を示す全体構成の断面図である。

本実施形態の熱電変換システムは、熱電変換モジュール１と、この熱電変換モジュール１の高温側面を加熱する熱源２と、図示しない冷却源と熱電変換モジュール１との間で熱交換を行って熱電変換モジュール１の低温側面を冷却する冷却デバイス３と、熱源２と熱電変換モジュール１との間、及び冷却デバイス３と熱電変換モジュール１との間の熱伝導を補助する高熱伝導性材料４と、熱源２及び冷却デバイス３を除く周囲部に設けられ、外部への放熱を最小化するための断熱材５とを備えている。

熱電変換モジュール１は、熱源２と冷却デバイス３との間に挟まれるような形で熱源２の壁面に図示しない固定ボルト等の固定手段により固定される。

この場合、熱源２としては、各種プラント（地熱（温泉）、工場、発電所、ごみ処理場）の未利用排熱を回収したものが使用され、その温度は熱電変換モジュール１の耐熱温度以下であれば、何度であっても良い。

また、熱源２−熱電変換モジュール１−冷却デバイス３のサンドイッチ構造は、ボルトやねじなどの固定具により高い圧力で締付けられ、熱電変換モジュール１と熱源２との間及び冷却デバイス３と熱電変換モジュール１との間の熱抵抗が小さくなるようにしている。このときの面圧は１ＭＰａ以上で冷却デバイスの底面が変形しない程度が望ましい。

さらに、熱源２−熱電変換モジュール１−冷却デバイス３の各接合面は、平面になるようにし、これらの間に高熱伝導性のグリースなどを挿入して、接合面での熱抵抗ができる限り小さくなるようにしている。

上記した熱電変換モジュール１としては、電極面がアルミナなどの絶縁性の高熱伝導材料で覆われているケースと、電極面が剥き出しになっているケースがあるが、電極面が剥き出しになっている場合には、図示するように熱電変換モジュール１の高温側及び低温側の電極面にアルミナ（Ａｌ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの薄板を高熱伝導性材料４として配置することで、電極面を絶縁カバーしている。

これらの接合に際しても、高熱伝導性のグリースが使われることが多い。このグリースとしては、シリコン系のグリースと非シリコン系のグリースがあるが、特に非シリコン系のグリースは、（１）熱伝導率が高く、放熱特性に優れている、（２）ブリードが少なく、長期安定性に優れている、（３）シロキサンフリーで、マイグレーションを起こしにくい、（４）高温でも安定しており、アウトガスが少ない、（５）使用温度範囲が広い（−５５℃〜３５０℃）というメリットがある。

また、熱電変換モジュール１の低温側面を冷却する冷却デバイス３は、図２に示すようにアルミナ（Ａｌ）などからなるフィンベース３ａの上面に複数の平板長方形フィン３ｂを垂直に等間隔を存して配置する構造としたものである。

ここで、フィンベース３ａの面積（縦幅Ｗｆ×横幅Ｌｂ）とフィン高さＬが一定の条件で、フィンピッチＰｆとフィン板厚ｔを調節すると、図３に示すようなフィン効率が得られる。したがって、フィンピッチＰｆがフィン板厚ｔの１〜３倍になるように冷却デバイス３を設計することにより、熱交換を効率良く行うことができる。

この際、冷却デバイス３のフィンベース３ａの縦幅と横幅がそれぞれ熱電変換モジュール寸法と止め具寸法の和の整数倍にすると、有効発電面積が最大となり、発電効率が良くなる。熱電変換モジュールの大きさは、例えば６０ｍｍ×６０ｍｍを基本サイズとし、熱源の壁面への取付け面積に合わせて複数個連結する。例えば、６個の熱電変換モジュール（６０ｍｍ×６０ｍｍ）を横方向に３列、縦方向に２段にて配置する場合、これら各熱電変換モジュールの止め具寸法を横方向に１０ｍｍ，２０ｍｍ，２０ｍｍ，１０ｍｍ、縦方向に１０ｍｍ，２０ｍｍ，１０ｍｍとすれば、冷却デバイス３のフィンベース３ａはその横幅が２４０ｍｍ、縦幅が１６０ｍｍとなり、有効発電面積が最大となる。

次に、強制空冷の場合の冷却デバイス（平板長方形フィン）３において、フィン高さを１ｍｍ〜１５０ｍｍで調節すると、図４に示すように１２０ｍｍ以上では熱電変換システムの効率や出力がほとんど飽和する傾向が見られる。したがって、フィン高さは１２０ｍｍあれば十分である。

このように本発明の第１の実施形態では、フィンベース３ａの上面にフィン高さが１２０ｍｍの複数の平板長方形フィン３ｂを垂直にフィンピッチＰｆがフィン板厚ｔの１〜３倍になるように配置する構造の冷却デバイス３を用いて熱電変換モジュール１の低温側面を外部の冷却源から流入する強制風冷により冷却することにより、熱電変換モジュール１の高温側面と低温側面との間の温度勾配を大きくすることができるので、効率良く発電を行わせることができ、省エネに貢献できる。

次に本発明の第２の実施形態について説明する。

第２の実施形態では、冷却デバイスの外側をダクトで覆う構成として、冷却源より冷却媒体を通流させて熱電変換モジュールの低温側面を冷却するようにしたものであり、それ以外の構成は第１の実施形態と同様である。

この場合、冷却デバイスの周囲及び先端に密着させてダクトが備え付けられる。また、ダクトは、排気（水）口との連結端とは反対の端に吸気（水）口を備える。例えば、アルミ製の平板長方形フィンでベース板の厚さが例えば１０ｍｍのプレートを使用した場合、面圧が１ＭＰａ〜１．５ＭＰａであれば、１０〜１５ｍｍ厚のＳＳ４００鋼の熱源壁面と熱電変換モジュール間および熱電変換モジュールと平板長方形フィン間の密着性が最も良く、各々の接合部での熱抵抗を最小限に抑えることができる。

また、この熱電変換モジュールは、平板長方形フィンに風や冷媒を送るための冷却源部のダクトが、平板長方形フィンと同等以上の熱伝導率を有する素材で構成される。このため、平板長方形フィンを覆っているダクトにも熱源からの熱が伝わる。

したがって、ダクトとの熱抵抗が小さいか、ダクト自体の熱伝導率が高ければ、ダクトからも熱電変換モジュールを通過した熱を放出することができ、熱電変換システムの発電性能が向上する。この場合、熱電変換モジュールと平板長方形フィンのベース板との互いに向い合う面は、形状はどちらも同じであるが、面積はベース板の方が熱電変換モジュールよりも若干大きく形成されることが望ましい。

上記では、冷却デバイスの外側をダクトで覆う場合であるが、冷却デバイス自体をダクト状にしても良い。このようにすれば、冷媒を冷却デバイスに効率良く流すことができる。

次に、冷却デバイス３を冷却する冷却源の種類について検討してみると、平板長方形フィン３ｂのフィン高さが１２０ｍｍの場合の強制空冷とフィン高さが数ｍｍ〜１０ｍｍの場合の強制水冷では、後者の方のシステム効率が前者のそれに比べて二割増程度になる。したがって、冷却源としては水や海水を用いる方がフィン高さを低くすることが可能となり、システムのダウンサイジング（小型化、軽量化）と低コスト化を図ることができる。

この熱電変換システムの実用面を考慮すれば、冷却源が予め熱源とペアで準備してあるプラントへの設置が最適である。この場合、冷却源は元々工場や発電所内で冷却媒体として用いられている冷却系統を分流して使用することが現実的である。また、冷却源として海水を循環させるようにしても良い。

さらに、冷却源として代替フロン（Ｒ１３４ａ）を循環させて冷却デバイス３を冷却するようにすれば、図５に示すように流量一定の条件でフィン高さ７ｍｍ以上の場合、冷却水を用いるよりも冷却デバイスの圧力損失を低く抑えることができる。この場合、冷媒の漏れがないように冷却デバイスの外側をダクトで覆うようにしているので、冷媒を冷却デバイスに効率よく流すことができる。

上記第１及び第２の実施形態では、フィンベース３ａの上面に複数の平板長方形フィン３ｂを垂直にフィンピッチＰｆがフィン板厚ｔの１〜３倍になるように配置する構造の冷却デバイス３を用いたが、次のような形状の冷却フィンを有する冷却デバイスとしても良い。

図６（ａ）〜（ｆ）は、冷却デバイスを構成するそれぞれ異なる形状のフィンを示すものである。図６（ａ）はコルゲートタイプの平板長方形フィンで、複数の断面矩形状のダクトが形成されるように折曲して構成された最も一般的で加工が容易なフィンである。

図６（ｂ）は複数の断面三角形状のダクトが形成されるように折曲して構成された冷却フィンで、この冷却フィンは図６（ａ）よりも対角線に相当するフィン板の分だけフィン密度が高いため、冷却性能が向上するが、圧力損失も上昇する。

図６（ｃ）は複数の波形のダクトが形成されるように折曲して構成された波形フィン、（ｄ）はオフセットフィン、（ｅ）はルーヴァーフィンであり、これらのフィンはその表面積を拡張すると共にフィン内の冷媒流に乱流効果を与え、フィンの冷却性能を向上させる。

図６（ｆ）は、パーフォレートフィンで、このフィンはその表面積が減る分、乱流効果で冷却性能を補い、フィンが軽量化されるという効果がある。

この他、冷却デバイスとして、チャネルの代表径が１ｍｍ以下のマイクロチャネルで置き換えることもできる。

図７〜図９は、それぞれ冷却デバイスの形状の違いによる熱電変換システムの性能の違いを説明するための図である。

これらの冷却フィンの採用結果として、システム効率とシステム出力は、「オフセットフィン」＞「ルーヴァーフィン」＝「コルゲートタイプの平板長方形フィン」＞「パフォレ―トフィン」の順位付けとなる。

しかしながら、図７、図８を見る限り、強制空冷のままでは、システム効率の大幅アップは期待できない。そこで、冷媒を水にしてみると、フィンの高さが従来システムの１２分の１（１２０ｍｍ→１０ｍｍ）でも、システム効率２．０％→２．４％の向上が見込まれることが分かった。また、マイクロチャネルの導入は、冷却デバイスの大幅なダウンサイジングに寄与し、「水冷媒＋平板長方形フィン」と同等の性能が得られる。但し、マイクロチャネルを用いる場合は図９に示すように圧力損失も大きいため、マイクロポンプとのペアで導入する必要がある。

このように本発明の第２の実施形態では、冷媒が冷却デバイスの内部を流れるようにダクト状にするか、冷媒が漏れないように冷却デバイスの外側をダクトで覆う構成とし、且つ冷却源として、工場や発電所内で用いられている冷却系統を分流して使用したり、海水を循環させて使用したり、或いは代替フロン（Ｒ１３４ａ）を循環させて使用して熱電変換モジュール１の低温側面を冷却することにより、熱電変換モジュール１の高温側面と低温側面との間の温度勾配を大きくすることができるので、効率良く発電を行わせることができ、省エネに貢献できる。

特に、冷却デバイスのフィン形状やサイズ、冷媒の種類を熱電変換モジュールのシステム性能のパラメータとして、システム出力、システム効率、圧力損失などを検証し、その結果から最適なシステム構成とすることができる。

次に本発明の第３の実施形態について図１０により説明するに、図１と同一構成部品には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。

前述した第１の実施形態及び第２の実施形態では、熱源側が平坦面で熱電変換モジュール１の高温側面を接触させて配置できる場合であるが、熱源が気体や液体からなる流体で、例えば管路のように熱源側が平坦面でない場合には、熱源側に熱電変換モジュール１の高温側面を面接触させて配置することはできない。

そこで、第３の実施形態では、図１０に示すように熱源２と熱電変換モジュール１の高温側面に設けられた高熱伝導性材料４との間に加熱デバイス６を配置し、熱源２と熱電変換モジュール１との間で熱交換を行うようにしたものであり、それ以外の構成は第１の実施形態および第２の実施形態と同様である。

ここで、加熱デバイス６としては、熱源２が気体や液体からなる流体の場合、この流体に直接接触させて熱を引き出す直接接触式熱交換器や、流体に直接接触させないで間接的に熱を取り出す静止型熱交換器が用いられる。

このような構成とすれば、熱源に熱電変換モジュールを直接取付けることができない場合でも、加熱デバイス６により熱源となる流体から高効率で熱を引き出して熱電変換モジュールに与えることができる。

本発明による熱電変換システムの第１の実施形態を示す全体構成の断面図。 同実施形態における冷却デバイスの構成を示す斜視図。 同実施形態において、フィン効率とフィン厚さ及びフィンピッチの関係を説明するための図。 本発明の第２の実施形態において、フィン効率とフィン高さの関係を説明するための図。 同実施形態において、冷媒の違いによる圧力損失の違いを説明するための図。 （ａ）〜（ｆ）は本発明による熱電変換システムで使用される各種冷却デバイスの構成例を示す図。 冷却デバイスと冷媒の組合せによるシステム効率の冷媒速度依存性を説明するための図。 冷却デバイスと冷媒の組合せによるシステム出力の冷媒速度依存性を説明するための図。 冷却デバイスと冷媒の組合せによる圧力損失の冷媒速度依存性を説明するための図。 本発明の第３の実施形態を示す全体構成の断面図。

符号の説明

１…熱電変換モジュール、２…熱源、３…冷却デバイス、３ａ…平板長方形フィン、３ｂ…フィンベース、４…高熱伝導性材料、５…断熱材、６…加熱デバイス

Claims (17)

1. 熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換可能な熱電変換モジュールと、
   この熱電変換モジュールの高温側面を加熱する熱源と、
   前記熱電変換モジュールの低温側面を冷却する冷却源と、
   この冷却源と前記熱電変換モジュールとの間で熱交換を行う冷却デバイスと、
   前記熱源と前記熱電変換モジュールとの間、及び前記冷却デバイスと前記熱電変換モジュールとの間の熱伝導を補助する高熱伝導性材料と、
   前記熱源及び前記冷却源並びに冷却デバイスを除く周囲部に設けられ、外部への放熱を最小化するための断熱材と
   を備えたことを特徴とする熱電変換システム。
2. 熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換可能な熱電変換モジュールと、
   この熱電変換モジュールの高温側面を加熱する熱源と、
   この熱源と前記熱電変換モジュールとの間で熱交換を行う加熱デバイスと、
   前記熱電変換モジュールの低温側面を冷却する冷却源と、
   この冷却源と前記熱電変換モジュールとの間で熱交換を行う冷却デバイスと、
   前記加熱デバイスと前記熱電変換モジュールとの間、及び前記冷却デバイスと前記熱電変換モジュールとの間の熱伝導を補助する高熱伝導性材料と、
   前記熱源及び前記冷却源並びに加熱デバイス、冷却デバイスを除く周囲部に設けられ、外部への放熱を最小化するための断熱材と
   を備えたことを特徴とする熱電変換システム。
3. 熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換可能な熱電変換モジュールと、
   この熱電変換モジュールの低温側面が冷却源により冷却される冷却デバイスと、
   前記熱電変換モジュールの高温側面と熱源との間、及び前記熱電変換モジュールの低温側面と前記冷却デバイスとの間の熱伝導を補助する高熱伝導性材料と、
   前記熱源及び前記冷却デバイスを除く周囲部に設けられ、外部への放熱を最小化するための断熱材と
   を備えたことを特徴とする熱電変換システム。
4. 熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換可能な熱電変換モジュールと、
   この熱電変換モジュールの低温側面が冷却源により冷却される冷却デバイスと、
   前記熱電変換モジュールの高温側面側が熱源により加熱される加熱デバイスと、
   前記熱電変換モジュールの高温側面と加熱デバイスとの間、及び前記熱電変換モジュールの低温側面と前記冷却デバイスとの間の熱伝導を補助する高熱伝導性材料と、
   前記加熱デバイス及び前記冷却デバイスを除く周囲部に設けられ、外部への放熱を最小化するための断熱材と
   を備えたことを特徴とする熱電変換システム。
5. 前記加熱デバイスは、熱源となる流体から熱を引き出す直接接触式熱交換器、静止型熱交換器のいずれかである請求項２又は請求項４記載の熱電変換システム。
6. 前記冷却デバイスは、フィンベース上に複数のフィンが適宜の間隔を存して配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱電変換システム。
7. 前記冷却デバイスは、フィンベース上に複数のフィンが適宜の間隔を存して配置され、且つ冷媒が内部を流れるようにダクト状にするか、冷媒が漏れないようにダクトで覆われたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱電変換システム。
8. 前記冷却デバイスは、前記フィンベースの縦幅と横幅がそれぞれ熱電変換モジュール寸法と止め具寸法の和の整数倍であることを特徴とする請求項６又は請求項７記載の熱電変換システム。
9. 前記各フィンのフィンピッチがフィン板厚の１〜３倍であることを特徴とする請求項６又は請求項７記載の熱電変換システム。
10. 前記各フィンのフィン高さが１ｍｍ〜１５０ｍｍであることを特徴とする請求項６又は請求項７記載の熱電変換システム。
11. 前記複数のフィンは、平板長方形フィン、コルゲートタイプの平板長方形フィン、波形フィン、オフセットフィン、パーフォレートフィン、ルーヴァーフィンのいずれかであることを特徴とする請求項６乃至請求項１０のいずれかに記載の熱電変換システム。
12. 前記冷却源は、各種プラントで冷却媒体として用いられている冷却系統を分岐したものである請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の熱電変換システム。
13. 前記冷却源は、海水を循環させたものである請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の熱電変換システム。
14. 前記冷却源は、代替フロン（Ｒ１３４ａ）を循環させたものである請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の熱電変換システム。
15. 前記熱源は、各種プラントの未利用排熱を回収したものである請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の熱電変換システム。
16. 前記高熱伝導材料は、アルミナ、窒化アルミ、非シリコン系グリース、シリコン系グリースのいずれかである請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の熱電変換システム。
17. 前記冷却デバイスは、チャネルの代表径が１ｍｍ以下のマイクロチャネルからなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱電変換システム。

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