JP2012238825A - 熱発電装置および熱発電装置の冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱発電装置の構造によって冷却システムを小型化し、熱源のオーバーヒートを防止することを目的とする。
【解決手段】熱を発生し高温になる熱源１１０と、熱源１１０の熱を伝導すると共に伝導した熱を放熱するヒートシンク１２０と、温度差によって電力を発生する熱電変換モジュール１３０とで構成する熱発電装置１００であって、ヒートシンク１２０は、熱源の熱を伝導する熱伝導部１２１と熱を放熱する放熱部１２２に分割した構造をしており、熱伝導部１２１に熱電変換モジュール１３０の受熱面を備え、放熱部１２２に熱電変換モジュール１３０の放熱面を備え、熱発電装置１００の冷却システム２００に有するバルブ２２０が制御装置２３０により制御され熱伝導部１２１および放熱部１２２内部に配設する流水路１２１ｂ、１２２ｂのいずれか一方に冷却水２４０を流動し熱発電装置１００の熱を冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱源の熱を電力に変換する熱発電装置と、この熱発電装置の熱源を冷却する冷却システムに関する。

従来、熱源の熱を電力に変換する熱発電装置として、例えば、特許文献１に記載する熱電発電装置が提案されている。この熱電発電装置は、自動車のエンジンや各種燃焼機器等の冷却水循環路に設け冷却水を利用して発電する装置であって、エンジン等の熱を放熱する高温側の熱源と、高温側の熱源の温度を受熱し温められた冷却水がラジエータ等の放熱機を通過して冷却した冷却水を低温側の熱源とし、高温側の熱源と低温側の熱源との間に温度差（ゼーベック効果等）によって起電力を生じる熱電変換モジュールを設けている。また、熱発電装置は、特許文献２に記載するエンジンのように、高温熱源の側壁（ケーシング）に熱電変換モジュールの受熱面を備え、熱電変換モジュールの放熱面に放熱フィンなどを備えることで、温度差を生じて電力を発生させる構造等が提案されている。

特開２００５−２８７０９０ 特開２０１１−０４３１４２

特許文献１に記載する熱発電装置は、高温側の熱源の冷却水を流動する経路と低温側の熱源の冷却水を流動する経路との間に熱電変換モジュールを設けられていることから、熱発電装置を冷却水の循環経路に別体に取り付けなければならないと考えられる。このことから、熱発電装置を冷却する冷却システムを小型化することは困難であると考える。

また、特許文献２に記載するエンジンのように、熱源に熱電変換モジュールの受熱面を備える構造においては、熱電変換モジュールの受熱面は、ヒートシンク等に比べ熱伝導率が優れていないことから接触熱抵抗となり、熱発電装置の熱源の温度を上昇させることがある。そのため、熱源がオーバーヒートする危険性があると考えられる。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであって、熱発電装置の構造によって熱発電装置を冷却する冷却システムを小型化すると共に、冷却システムによって熱発電装置の熱源のオーバーヒートを防止することを目的とする。

請求項１記載の発明は、熱を発生し高温になる熱源と、熱源の熱を伝導すると共に伝導した熱を放熱するヒートシンクと、温度差によって電力を発生する熱電変換モジュールとで構成する熱発電装置であって、ヒートシンクは、熱源の熱を伝導する熱伝導部と、熱を放熱する放熱部とに分割された構造をしており、熱伝導部に熱電変換モジュールの受熱面を備え、放熱部に熱電変換モジュール１３０の放熱面を備えることを技術的特徴とする。

請求項２の発明は、熱発電装置に有するヒートシンクの熱伝導部および放熱部の内部にそれぞれ配設される流水路を経路の一部に備える循環路と、循環路の熱伝導部側の流水路と放熱部側の流水路とで経路の切り替えを行うバルブと、循環路を流動する冷却水の循環を行うポンプと、冷却水の冷却を行う冷却装置とで構成する冷却システムであって、バルブは、熱伝導部内部に備える温度センサにより測定される温度を基に流水路の切り替えを行う制御装置によって制御されることを技術的特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、熱発電装置を熱源の熱を受熱および放熱するヒートシンクに組み込むことで一体にできることから、熱発電装置の冷却を行う冷却システムを小型化することが可能となる。

請求項２記載の発明によれば、熱発電装置の熱源の温度によって冷却システムの冷却水の流動経路を切り替えることができるため、熱発電装置に備える熱源のオーバーヒートを防止することが可能となる。

本発明の熱発電装置および冷却システムの概略を示す図である。 冷却システムのバルブがヒートシンクの熱伝導部側の流水路を封鎖している図を示す。 冷却システムのバルブがヒートシンクの放熱部側の流水路を封鎖している図を示す。

以下に、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
本発明は、熱源１１０の熱を利用して発電を行う熱発電装置１００であって、熱を発生し高温になる熱源１１０と、熱源１１０の熱を伝導すると共に伝導した熱を放熱するヒートシンク１２０と、熱源１１０とヒートシンク１２０との温度差によって電力を発生する熱電変換モジュール１３０とで構成している。

熱源１１０は、熱を発生し高温になるものであって、本実施例において、車両に搭載するエンジンとする。このエンジンは、一般的なものであって、ガソリン等の揮発性の高い液体を空気と混合し、混合物をシリンダー内部の燃焼室内に吸入、圧縮、着火することでシリンダー内部を往復するピストンを押す力を発生する。このピストンの往復運動は、コネクティングロッドとクランクシャフトと連動することで、回転運動に変えられクランク軸から動力を出力して車輪を駆動している。ここで、エンジンは、混合物が爆発しピストンが往復することで熱を発生することから、熱を発生し続けるとオーバーヒートを起こす危険性がある。そのため、オーバーヒートを防止するための危険温度が設定されている。

ヒートシンク１２０は、熱源１１０の熱を伝導すると共に熱を放熱する部材であって、アルミや銅等の熱伝導率の高い材料で製造されており、熱源１１０の熱を伝導する熱伝導部１２１と熱を放熱する放熱部１２２に分割した構造をしている。

熱伝導部１２１は、熱源１１０の熱を後述する熱電変換モジュール１３０に伝導するものであって、熱源１１０に接触する箇所であればどこに設けても良い。この熱伝導部１２１は内部に、熱源１１０の温度を測定する温度センサ１２１ａと後述する熱源１１０の冷却を行う冷却システム２００の冷却水２４０を流動する流水路１２１ｂを備えている。

温度センサ１２１ａは、熱源１１０の温度を測定するセンサであって、熱源１１０の温度が危険温度に達するのを防止する危険防止温度が設定されている。この危険防止温度は、熱源１１０の危険温度に比べ低い温度に設定することとする。

流水路１２１ｂは、後述する冷却システム２００の冷却水２４０を流動するための経路の一つであって、熱伝導部１２１内部の略全域に配設されている。この流水路１２１ｂは、両端に冷却システム２００のバルブ２２０が取り付けられており、バルブ２２０が開放状態にある場合において、冷却水２４０を流動して熱源１１０の温度を冷却する。

放熱部１２２は、後述する熱電変換モジュール１３０に伝導した熱を放熱するものであって、熱の放熱を促進する放熱フィン１２２ａと、後述する冷却システム２００の冷却水２４０を流動する流水路１２２ｂを備えている。

放熱フィン１２２ａは、熱の放熱を促進するためのものであって、剣山状または蛇腹状に形成している。この放熱フィン１２２ａは、車両が走行している際に生じている走行風や車両に備えられるファンによって送り出される空気と接触することで、熱交換を行って放熱部１２２を冷却している。

流水路１２２ｂは、後述する冷却システム２００の冷却水２４０を流動するための経路の一つであって、放熱部１２２内部の略全域に配設されている。この流水路１２２ｂは、熱伝導部１２１内部に配設する流水路１２１ｂと同様に、両端に冷却システム２００のバルブ２２０が取り付けられており、バルブ２２０が開放状態にある場合において、冷却水２４０を流動して熱電変換モジュール１３０の温度を冷却する。

放熱部１２２は、上記の放熱フィン１２２ａおよび流水路１２２ｂを流れる冷却水２４０により冷却されることから、熱伝導部１２１に比べ低温の状態を保つことが可能である。

熱電変換モジュール１３０は、温度差によってゼーベック効果を利用して電力を発生する熱電変換素子であって、熱を受熱する受熱面と熱を放熱する放熱面とが形成されている。この熱電素子モジュールは、受熱面を高温になるヒートシンク１２０の熱伝導部１２１に取り付け、放熱面を低温になるヒートシンク１２０の放熱部１２２に取り付けることから、ヒートシンク１２０の熱伝導部１２１と放熱部１２２との間に設けられる。

次に、上記に示す熱発電装置１００の熱源１１０を冷却する冷却システム２００について説明する。
冷却システム２００は、熱発電装置１００の熱源１１０を冷却する装置であって、熱発電装置１００のヒートシンク１２０内部に配設する流水路１２１ｂ、１２２ｂを経路の一部に有する循環路２１０と、循環路２１０のヒートシンク１２０内部に配設する流水路１２１ｂ、１２２ｂの経路を切り替えるバルブ２２０と、バルブ２２０の切り替えを制御する制御装置２３０と、制御装置２３０が作動しバルブ２２０の切り替えが行われた循環路２１０を流動する冷却水２４０と、冷却水２４０を循環路２１０内で流動させるポンプ２５０と、流動する冷却水２４０の冷却を行う冷却装置２６０を備える。

循環路２１０は、後述する冷却水２４０を流動するための経路であって、ヒートシンク１２０内部に配設する流水路１２１ｂ、１２２ｂを経路の一部に備える。この循環路２１０は、後述するバルブ２２０によって、冷却水２４０の流れる経路が切り替えられる。ここで、循環路２１０は、本実施例において、冷却水２４０を流動する経路であるが、ヒートパイプであっても良い。

バルブ２２０は、後述する冷却水２４０の流動する経路を切り替えるものであって、ヒートシンク１２０の熱伝導部１２１と放熱部１２２の内部に配設する流水路１２１ｂ、１２２ｂの両端に設ける。このバルブ２２０は、後述する制御装置２３０によって制御されており、冷却水２４０の流動する経路を熱伝導部１２１側の流水路１２１ｂと放熱部１２２側の流水路１２２ｂとを切り替えている。そのため、バルブ２２０が熱伝導部１２１側の流水路１２１ｂを封鎖している場合は放熱部１２２側の流水路１２２ｂを開放状態にして冷却水２４０が放熱部１２２側の流水路１２２ｂを流動し、バルブ２２０が放熱部１２２側の流水路１２２ｂを封鎖している場合においては熱伝導部１２１側の流水路１２１ｂを開放状態にして冷却水２４０が熱伝導部１２１側の流水路１２１ｂを流動する。

制御装置２３０（図示しない）は、バルブ２２０の切り替えを行い熱発電装置１００の熱源１１０の温度を制御する装置であって、熱発電装置１００に備える温度センサ１２１ａの温度を検出している。そのため、制御装置２３０は、熱源１１０の温度が温度センサ１２１ａの設定する危険防止温度に到達するまでの間において、熱伝導部１２１側の流水路１２１ｂを封鎖するようにバルブ２２０を作動している。また、制御装置２３０は、熱源１１０の温度が温度センサ１２１ａの設定する危険防止温度を超えた場合において、放熱部１２２側の流水路１２２ｂを封鎖するようにバルブ２２０を作動する。

冷却水２４０（図示しない）は、循環路２１０を流動するものであって、熱発電装置１００のヒートシンク１２０内部に配設される流水路１２１ｂ、１２２ｂを通過すると熱発電装置１００の熱源１１０または熱電変換モジュール１３０の放熱面の熱を受熱し温められる。この温められた冷却水２４０は、後述する冷却装置２６０を通過することで冷却される。ここで、冷却水２４０は、本実施例において、水冷式とするが、油冷式であっても良い。

冷却装置２６０は、冷却水２４０の冷却を行うための機器であって、本実施例において、車両に搭載するラジエータとする。このラジエータは、一般的な水冷式の構造であって、ダウンフロー型やクロスフロー型のものがあり、温められた冷却水２４０を一時的に貯えるタンクと、タンクに貯えられた冷却水２４０を運搬するチューブと、チューブにより運搬された冷却水２４０の冷却を行うフィンと、フィンを通過して冷却された冷却水２４０を一時的に貯えるタンクとで構成している。

次に、本発明の熱発電装置１００が熱源１１０の温度を管理しながら発電する手順について説明する。
熱発電装置１００の熱源１１０（エンジン）は、車両に乗車する乗員が鍵を回転して始動することで、熱を発生し徐々に高温になる。ここで、ヒートシンク１２０の熱伝導部１２１は、熱伝導率の良い材料で造られていることから、熱源１１０の熱を受熱して熱源１１０と略同じ温度となる。この熱源１１０の温度管理は、ヒートシンク１２０の熱伝導部１２１内部に備える温度センサ１２１ａによって測定され、冷却システム２００に備える制御装置２３０によって管理されている。

そのため、制御装置２３０は、熱源１１０の温度が温度センサ１２１ａの設定する危険防止温度に到達するまでの間において、ヒートシンク１２０内部に配設する熱伝導部１２１側の流水路１２１ｂを封鎖し放熱部１２２側の流水路１２２ｂを解放状態にするようバルブ２２０を制御している。これにより、冷却水２４０は、ヒートシンク１２０の放熱部１２２側の流水路１２２ｂを経由する循環路２１０を流動することから、ヒートシンク１２０の放熱部１２２を冷却している。ここで、ヒートシンク１２０の放熱部１２２に有する流水路１２２ｂを通過した冷却水２４０は、放熱部１２２の熱を受熱することから温められ、冷却システム２００の冷却装置２６０により冷却され循環路２１０を循環している。

また、放熱部１２２は、放熱フィン１２２ａと車両が走行している際に生じている走行風または車両に備えるファンによって送り出される空気とが接触しているため、放熱フィン１２２ａにより冷却が促進されている。

熱発電装置１００は、上記に記載するように、ヒートシンク１２０の熱伝導部１２１が熱源１１０により高温になり、ヒートシンク１２０の放熱面が冷却水２４０と放熱フィン１２２ａにより冷却され低温になることから、熱電変換モジュール１３０の受熱面と放熱面との間で温度差が生じ電力を発生する。

次に、熱源１１０の温度が高温になり温度センサ１２１ａが危険防止温度を示している場合の熱発電装置１００の発電する手順について説明する。

まず、熱源１１０の温度が高温で温度センサ１２１ａが危険防止温度を示している場合において、冷却システム２００は、制御装置２３０がヒートシンク１２０の熱伝導部１２１側の流水路１２１ｂを開放し放熱部１２２側の流水路１２２ｂを封鎖状態にするようバルブ２２０を制御して冷却水２４０を熱伝導部１２１内部に配設する流水路１２１ｂに流動することで熱源１１０の冷却を行っている。これによって、熱源１１０がオーバーヒートすることはない。

ここで、ヒートシンク１２０の熱伝導部１２１は、流水路１２１ｂを流動する冷却水２４０によって冷却されているが、熱源１１０からの熱を受熱している状態であることから高温になっている。この時の熱源１１０の温度は、冷却水２４０が熱伝導部１２１内部に配設する流水路１２１ｂを流動する前に比べて低温になっているのは言うまでもない。また、ヒートシンク１２０の放熱部１２２は、流水路１２２ｂがバルブ２２０によって封鎖されているため冷却水２４０による冷却は行われないが、放熱フィン１２２ａによる冷却は行われることから低温になる。

熱発電装置１００は、熱源１１０の温度が高温で温度センサ１２１ａが危険防止温度を示している場合においても上記に記載するように、ヒートシンク１２０の熱伝導部１２１が熱源１１０により高温になり、ヒートシンク１２０の放熱面が放熱フィン１２２ａにより冷却され低温になることから、熱電変換モジュール１３０の受熱面と放熱面との間で温度差が生じ電力を発生する。

１００ 熱発電装置
１１０ 熱源
１２０ ヒートシンク
１２１ 熱伝導部
１２１ａ 温度センサ
１２１ｂ 流水路
１２２ 放熱部
１２２ａ 放熱フィン
１２２ｂ 流水路
１３０ 熱電変換モジュール
２００ 冷却システム
２１０ 循環路
２２０ バルブ
２３０ 制御装置
２４０ 冷却水
２５０ ポンプ
２６０ 冷却装置

Claims (2)

1. 熱を発生し高温になる熱源と、
   該熱源の熱を伝導すると共に伝導した熱を放熱するヒートシンクと、
   温度差によって電力を発生する熱電変換モジュールとで構成する熱発電装置であって、
   前記ヒートシンクは、前記熱源の熱を伝導する熱伝導部と熱を放熱する放熱部とに分割された構造をしており、前記熱伝導部に前記熱電変換モジュールの受熱面を備え、前記放熱部に前記熱電変換モジュールの放熱面を備えることを特徴とする熱発電装置。
2. 前記ヒートシンクの前記熱伝導部および前記放熱部の内部にそれぞれ配設される流水路を経路の一部に備える循環路と、
   該循環路の前記熱伝導部側の流水路と前記放熱部側の流水路とで経路の切り替えを行うバルブと、
   前記循環路を流動する冷却水の循環を行うポンプと、
   前記冷却水の冷却を行う冷却装置とで構成する冷却システムであって、
   前記バルブは、前記熱伝導部内部に備える温度センサにより測定される温度を基に前記流水路の切り替えを行う制御装置によって制御されることを特徴とする請求項１記載の熱発電装置の熱を冷却する冷却システム。

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