JP2016012613A - Thermoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば熱電変換モジュールに温度差を与えて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換式発電装置等の熱電変換装置に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion device such as a thermoelectric conversion power generation device that converts a thermal energy into an electric energy by giving a temperature difference to a thermoelectric conversion module, for example.
上記熱電変換式発電装置は、離間した部位に温度差を与えることで高温部と低温部との間に電位差を生じさせるといったゼーベック効果を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するもので、温度差が大きいほど発電量が大きくなることが知られている。このような熱電変換素子は、複数を電極によって接合した熱電変換素子モジュールという形態で用いられる。例えば、管体の外面に熱電変換モジュールと低温部とを積層して管体の内部に加熱流体を導入することで、加熱される管体（高温部）と低温部との間に挟んだ熱電変換モジュールに温度差を生じさせて電気を取り出す構成の熱電変換式発電装置が知られている（特許文献１）。 The thermoelectric conversion power generation device converts thermal energy into electrical energy using the Seebeck effect such as causing a potential difference between the high temperature part and the low temperature part by giving a temperature difference to the separated parts. It is known that the amount of power generation increases as the temperature difference increases. Such a thermoelectric conversion element is used in the form of a thermoelectric conversion element module in which a plurality are joined by electrodes. For example, a thermoelectric module and a low temperature part are laminated on the outer surface of the pipe body, and a heating fluid is introduced into the pipe body, so that a thermoelectric element sandwiched between the heated pipe body (high temperature part) and the low temperature part. There is known a thermoelectric conversion power generator configured to generate electricity by generating a temperature difference in a conversion module (Patent Document 1).
ところで、この種の熱電変換式発電装置のコストを、発電量を低下させることなく低減するには、熱電変換素子の使用数を減らすことが１つの効果的な対策である。しかし、熱電変換素子の使用数を単純に減らすことは、発電量の低下を招くとされてきた。そこで、例えば熱電変換素子への高温部からの熱の伝達量を多くするとともに熱電変換素子を通過して低温部に至る貫通熱量を多くすることが考えられるが、加熱流体の温度や設置スペースが一定あるいは有限である場合には困難であり、また、貫通熱量を増加させる熱交換効率にも限度があった。 By the way, in order to reduce the cost of this type of thermoelectric conversion power generation device without reducing the amount of power generation, reducing the number of thermoelectric conversion elements used is one effective measure. However, simply reducing the number of thermoelectric conversion elements used has been considered to cause a reduction in power generation. Therefore, for example, increasing the amount of heat transferred from the high-temperature part to the thermoelectric conversion element and increasing the amount of heat passing through the thermoelectric conversion element to reach the low-temperature part can be considered. It is difficult if it is constant or finite, and there is a limit to the heat exchange efficiency that increases the amount of through heat.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その主たる課題は、発電量を低下させることなく熱電変換素子の数を減らして効果的にコストを低減することを可能とする熱電変換装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its main problem is to provide a thermoelectric conversion device that can effectively reduce costs by reducing the number of thermoelectric conversion elements without reducing the amount of power generation. There is to do.
本発明の熱電変換装置は、互いに対向配置され、熱交換領域を有する高温側の板部および低温側の板部と、前記高温側の板部および前記低温側の板部の間に配置され、該高温側の板部および該低温側の板部によって温度差が付与される熱電変換モジュールと、を備えた熱電変換装置であって、前記熱電変換モジュールは、前記高温側の板部および前記低温側の板部のそれぞれに対向して配置される電極と、これら電極間に配置される熱電変換素子と、を有し、前記熱電変換素子における総断面積の、前記熱交換領域に対し占める割合である占有面積率が、６０％以下であることを特徴とする（請求項１）。 The thermoelectric conversion device of the present invention is arranged between a high temperature side plate portion and a low temperature side plate portion, which are arranged to face each other and have a heat exchange region, and between the high temperature side plate portion and the low temperature side plate portion, A thermoelectric conversion device comprising a thermoelectric conversion module to which a temperature difference is imparted by the high temperature side plate portion and the low temperature side plate portion, wherein the thermoelectric conversion module includes the high temperature side plate portion and the low temperature side And a thermoelectric conversion element arranged between these electrodes, and a ratio of the total cross-sectional area of the thermoelectric conversion element to the heat exchange region The occupied area ratio is 60% or less (claim 1).
本発明は、熱電変換モジュールを構成する熱電変換素子間の間隔を従来と比較して大きく取った構成をポイントとしている。すなわち、熱交換領域に複数の熱電変換素子を配列する場合、比較的粗の状態で配列する。これにより、１つ当たりの熱電変換素子に対する周囲の熱交換領域の面積が大きくなり、その熱交換領域の熱が熱電変換素子に伝達される。熱電変換素子が存在しない熱交換領域の面積の増大によって、その熱交換領域から熱電変換素子への熱の伝達効率が向上し、熱交換領域の熱交換量が増大する。このため、１つ当たりの熱電変換素子の貫通熱量が増大し、これによって発電量も増大する。したがって熱電変換素子の使用数を少なくしても全体の発電量は低減せず、熱電変換モジュールとして一定の発電量を確保することができる。その結果、熱電変換モジュールに搭載する熱電変換素子の使用量を低減してコストの低減を効果的に図ることができる。 The point of the present invention is a configuration in which the interval between thermoelectric conversion elements constituting the thermoelectric conversion module is made larger than that of the conventional one. That is, when arranging a plurality of thermoelectric conversion elements in the heat exchange region, they are arranged in a relatively coarse state. Thereby, the area of the surrounding heat exchange area | region with respect to the thermoelectric conversion element per one becomes large, and the heat of the heat exchange area | region is transmitted to the thermoelectric conversion element. By increasing the area of the heat exchange region where there is no thermoelectric conversion element, heat transfer efficiency from the heat exchange region to the thermoelectric conversion element is improved, and the amount of heat exchange in the heat exchange region is increased. For this reason, the amount of through heat of each thermoelectric conversion element increases, and the amount of power generation also increases. Therefore, even if the number of thermoelectric conversion elements used is reduced, the total power generation amount is not reduced, and a certain amount of power generation can be ensured as the thermoelectric conversion module. As a result, it is possible to effectively reduce the cost by reducing the amount of the thermoelectric conversion element mounted on the thermoelectric conversion module.
本発明では、複数の前記熱電変換素子を有し、１つの該熱電変換素子の断面積が、
（Ａ）１ｍｍ２以下では前記占有面積率が２５％以下、
（Ｂ）１〜２．２５ｍｍ２では前記占有面積率が３０％以下、
（Ｃ）２．２５ｍｍ２超〜１６ｍｍ２では前記占有面積率が５０％以下、
（Ｄ）１６ｍｍ２超では前記占有面積率が６０％以下、
であることを特徴とする（請求項２）。
In the present invention, it has a plurality of the thermoelectric conversion elements, and the cross-sectional area of one thermoelectric conversion element is:
(A) If the area is 1 mm 2 or less, the occupied area ratio is 25% or less,
(B) 1~2.25mm 2 In the occupied area ratio of 30% or less,
(C) In 2.25 mm 2 to 16 mm 2 , the occupied area ratio is 50% or less,
(D) the occupation area ratio is 16 mm 2 than 60% or less,
(Claim 2).
上記（Ａ）の場合、前記該占有面積率は、２０％以下、１５％以下、１０％以下、５％以下、３％以下、１％以下のいずれかが選択される場合を含む。また、上記（Ｂ）の場合、前記該占有面積率は、２５％以下、２０％以下、１５％以下、１０％以下、５％以下、２％以下のいずれかが選択される場合を含む。また、上記（Ｃ）の場合、前記該占有面積率は、４５％以下、４０％以下、３５％以下、３０％以下、２５％以下、２０％以下、１５％以下、１０％以下、５％以下のいずれかが選択される場合を含む。また、上記（Ｄ）の場合、前記該占有面積率は、５５％以下、５０％以下、４５％以下、４０％以下、３５％以下、３０％以下、２５％以下、２０％以下、１５％以下のいずれかが選択される場合を含む。 In the case of (A), the occupation area ratio includes a case where any of 20% or less, 15% or less, 10% or less, 5% or less, 3% or less, or 1% or less is selected. In the case of (B), the occupation area ratio includes a case where any of 25% or less, 20% or less, 15% or less, 10% or less, 5% or less, or 2% or less is selected. In the case of (C), the occupied area ratio is 45% or less, 40% or less, 35% or less, 30% or less, 25% or less, 20% or less, 15% or less, 10% or less, 5% Including the case where any of the following is selected. In the case of (D), the occupied area ratio is 55% or less, 50% or less, 45% or less, 40% or less, 35% or less, 30% or less, 25% or less, 20% or less, 15% Including the case where any of the following is selected.
また、本発明では、請求項１または２に記載の発明において、前記高温側の板部および前記低温側の板部のうちの、少なくとも前記高温側の板部における前記熱電変換モジュール側の面と、前記電極との間に、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・ｋ以上の材料からなる熱伝導部を設けたことを特徴とする（請求項３）。この形態では、比較的高い熱伝導率を有する熱伝導部により集熱効果が増大し、熱交換領域から熱伝導部を経て熱電変換素子に達する熱量が効果的に増大する。このため、１つ当たりの熱電変換素子の発電量をより増大させることができ、コストの低減を促進させることができる。 According to the present invention, in the invention according to claim 1 or 2, at least one of the high temperature side plate portion and the low temperature side plate portion on the thermoelectric conversion module side surface of the high temperature side plate portion; A heat conduction part made of a material having a thermal conductivity of 50 W / m · k or more is provided between the electrodes. In this form, the heat collection effect is increased by the heat conduction part having a relatively high heat conductivity, and the amount of heat reaching the thermoelectric conversion element from the heat exchange region through the heat conduction part is effectively increased. For this reason, the electric power generation amount of the thermoelectric conversion element per one can be increased more, and the reduction of cost can be promoted.
また、本発明では、請求項１または２に記載の発明において、前記高温側の板部および前記低温側の板部のうちの、少なくとも前記高温側の板部に対向して配置される前記電極が、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・ｋ以上の材料で構成されていることを特徴とする（請求項４）。この形態においても、電極が比較的高い熱伝導率を有するため、熱交換領域から当該電極を経て熱電変換素子に達する熱量が効果的に増大し、１つ当たりの熱電変換素子の発電量をより増大させることができる。しかも、電極そのものを請求項３に記載の熱伝導部として構成させることができるため、構成が簡素化し、コストの低減をさらに促進させることができる。 Also, in the present invention, in the invention according to claim 1 or 2, the electrode disposed to face at least the high temperature side plate portion of the high temperature side plate portion and the low temperature side plate portion. Is made of a material having a thermal conductivity of 50 W / m · k or more (claim 4). Even in this form, since the electrode has a relatively high thermal conductivity, the amount of heat reaching the thermoelectric conversion element from the heat exchange region through the electrode is effectively increased, and the amount of power generation of one thermoelectric conversion element is further increased. Can be increased. In addition, since the electrode itself can be configured as the heat conducting unit according to the third aspect, the configuration can be simplified and cost reduction can be further promoted.
また、本発明では、請求項４に記載の発明において、前記電極には、一対の前記熱電変換素子が、該熱電変換素子の全周が該電極の表面に囲繞される状態に配置されていることを特徴とする（請求項５）。この形態によれば、熱電変換素子の全周が電極の表面に囲まれているため、熱電変換素子の全周から電極の熱が熱電変換素子に伝達される。この構成により、例えば熱電変換素子が電極の端部に設置されている場合と比べると電極から熱電変換素子に伝達される熱量は多く、したがって熱電変換素子に達する熱量の増大に伴う発電量の向上効果が一層促進される。
According to the present invention, in the invention described in
本発明によれば、発電量を低下させることなく熱電変換素子の数を減らして効果的にコストを低減することを可能とする熱電変換装置が提供されるといった効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to provide a thermoelectric conversion device that can reduce the number of thermoelectric conversion elements and effectively reduce the cost without reducing the amount of power generation.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
［１］熱電変換式発電装置の基本構成
図１〜図３は、本発明の熱電変換装置を適用した熱電変換式発電装置１を示している。この発電装置１は、全体が扁平な直方体状であって、図１および図２で上下方向（図１でＺ方向）に離間して配設された低温室１０と高温室２０との間に、モジュール室３が形成された三層構造を有している。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[1] Basic Configuration of Thermoelectric Conversion Power Generation Device FIGS. 1 to 3 show a thermoelectric conversion
低温室１０および高温室２０は、それぞれ扁平な管体１１，２１から構成されており、これら管体１１，２１がモジュール室３０を挟んで平行に配設されている。上下の管体１１，２１は、左右方向（図１でＸ方向）両端が連結板３１で連結されている。低温室１０、高温室２０およびモジュール室３０は、前後方向（図１でＹ方向）に貫通している。低温室１０内には貫通方向に沿って冷却水等の冷却媒体が流され、高温室２０内には貫通方向に沿って加熱ガス等の加熱流体が流される。管体１１，２１および連結板３１は、例えばＳＵＳ４４４等の耐熱性、耐酸化性を有するステンレス等の金属で作製され、連結板３１は管体１１，２１に例えばろう付け等の固着手段で固着される。
The
モジュール室３０は、管体１１，２１の互いに対向する板部１２，２２と、左右の連結板３１とによって形成される。低温室１０側の板部１２は低温室１０内に流される冷却媒体によって冷却され、高温室２０側の板部２２は高温室２０内に流される加熱流体で加熱される。以下、各板部１２，２２を、必要に応じて低温側の板部１２、高温側の板部２２と言う。低温室１０内および高温室２０内には、各板部１２，２２への熱伝導効率を向上させるフィンを設けることができる。
The
モジュール室３０内には、熱電変換モジュール４０が配設されている。熱電変換モジュール４０は、図３に示すように、マトリックス状に配列された複数の直方体状の熱電変換素子４１と、これら熱電変換素子４１を直列に接続する複数の電極４５とから構成される。熱電変換素子４１には、耐熱温度が高い種類が用いられ、例えば、シリコン−ゲルマニウム系、マグネシウム−シリコン系、マンガン−シリコン系、珪化鉄系等が好適に用いられる。
A
電極４５は、低温側の板部１２に対向して配置される低温側電極４５１と、高温側の板部２２に対向して配置される高温側電極４５２に分けられ、低温側電極４５１と高温側電極４５２との間に、熱電変換素子４１が配置されている。電極４５は、隣接する熱電変換素子４１間にまたがって１つの電極４５が配設され、熱電変換素子４１の上下の面にそれぞれ固着される。電極４５は、各板部１２，２２に対し絶縁された状態で固定される。
The
上記構成からなる発電装置１では、高温室２０の内部に高温の加熱流体を流して高温側の板部２２を加熱する。また、低温室１０の内部に冷却媒体を流して低温側の板部１２を冷却する。高温室２０に流される加熱流体の熱によって高温側の板部２２が加熱され、加熱された高温側の板部２２の熱は、熱電変換モジュール４０の高温側電極４５２を介して熱電変換素子４１に伝わる。一方、冷却媒体で冷却される低温側の板部１２の熱は熱電変換モジュール４０の低温側電極４５１を介して熱電変換素子４１に伝わる。これにより、熱電変換素子４１には、図２において下面側が高温、上面側が低温というように温度差が与えられる。これにより熱電変換素子４１は発電し、電極４５に接続された図示せぬ端子から電気が取り出される。
In the
本実施形態の発電装置１では、例えば工場やゴミ焼却炉で発生する排熱ガスや、自動車の排気ガスなどを上記加熱流体として利用することができる。
In the
［２］熱電変換モジュールの実施形態
以上が一実施形態に係る発電装置の基本構成であり、以下、本実施形態の熱電変換モジュール４０を詳述する。
[2] Embodiment of Thermoelectric Conversion Module The above is the basic configuration of the power generation device according to one embodiment, and the
［２−１］熱電変換素子の占有面積率
低温側の板部１２および高温側の板部２２においては、熱電変換モジュール４０の熱電変換素子４１が配列されている領域が熱交換領域とされる。この熱交換領域の面積は、各板部１２，２２で互いに等しく、上下対称の状態に位置している。
[2-1] Occupied Area Ratio of Thermoelectric Conversion Elements In the low temperature
本発明においては、複数の熱電変換素子４１の横断面の総断面積Ｂが、低温側および高温側の各板部１２，２２それぞれの熱交換領域の面積Ａに対し占める割合である占有面積率「Ｂ／Ａ」が、６０％以下に設定されている。以下に記載する“熱電変換素子４１の占有面積率”は、各板部１２，２２の熱交換領域の面積Ａに占める熱電変換素子４１の総断面積Ｂが占める割合を言う。
In the present invention, the total area B of the cross sections of the plurality of
熱電変換素子４１は、上記熱交換領域に均等に分散した状態で配列される。したがって熱電変換素子４１の占有面積率を６０％以下とするには、１つ当たりの熱電変換素子４１の断面積と、この断面積に応じた隣接する熱電変換素子４１間の間隔（素子間ギャップ）を規定することで可能となる。図４は、熱電変換素子４１の断面が正方形であった場合における素子間ギャップＧと、１つ当たりの熱電変換素子４１に応じた熱交換領域Ｓを示している。１つ当たりの熱電変換素子４１に応じた熱交換領域Ｓに対して１つの熱電変換素子４１が占める割合は、熱電変換モジュール４０全体の熱電変換素子４１の占有面積率に等しいと理解される。
The
例えば熱電変換素子４１として、一辺ａが４ｍｍの正方形断面のもの（断面積は１６ｍｍ２）を用い、素子間ギャップＧを２ｍｍに設定すると、１つ当たりの熱電変換素子４１に応じた熱交換領域の面積Ｓは、６ｍｍ×６ｍｍ＝３６ｍｍ２である。したがって熱電変換素子４１の占有面積率は１６ｍｍ２／３６ｍｍ２＝４４．４％と導かれ、これは本発明を満足する。これに対し、一辺が４ｍｍの熱電変換素子４１を素子間ギャップＧが１ｍｍで配列すると、１つ当たりの熱電変換素子４１に応じた熱交換領域Ｓの面積は５ｍｍ×５ｍｍ＝２５ｍｍ２となり、よって熱電変換素子４１の占有面積率は１６ｍｍ２／２５ｍｍ２＝６４．０％となってこれは本発明を逸脱する。
For example, when a
表１は、断面正方形状の熱電変換素子４１の一辺の長さを１ｍｍから１０ｍｍの範囲で複数設定して素子間ギャップを０．５ｍｍ〜６ｍｍに振り分けた例を示し、それぞれの組み合わせにおける熱電変換素子４１の占有面積率を記載している。表１の×で示す組み合わせが本発明外となり、それ以外の組み合わせが本発明の条件を満足している。
Table 1 shows an example in which the length of one side of the
また、次の（Ａ）〜（Ｄ）のように、特に熱電変換素子４１の断面積に応じた占有面積率を規定した場合も本発明としている。すなわち複数の熱電変換素子４１を有した場合の１つの熱電変換素子４１の断面積が、
（Ａ）１ｍｍ２以下では占有面積率が２５％以下
（Ｂ）１〜２．２５ｍｍ２では占有面積率が３０％以下
（Ｃ）２．２５ｍｍ２超〜１６ｍｍ２では占有面積率が５０％以下
（Ｄ）１６ｍｍ２超では占有面積率が６０％以下
これらの条件を満たす組み合わせは、表１の○で示すものが該当する。
In addition, as in the following (A) to (D), the present invention also includes the case where the occupation area ratio corresponding to the cross-sectional area of the
(A) 1 mm 2 occupying area ratio is 25% or less in the following (B) in 1～2.25Mm 2 occupying area ratio is less 30% (C) 2.25mm 2 Ultra ～16Mm 2 in occupying area ratio is 50% or less (D) If it exceeds 16 mm 2 , the occupied area ratio is 60% or less.
［２−２］電極の構成
隣接する熱電変換素子４１を接続する電極４５は、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・ｋ以上の金属材料で形成されている。そのような金属材料としては、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等が挙げられる。
[2-2] Electrode Configuration The
電極４５は、配列された状態で熱交換領域の全域をほぼカバーする大きさを有する大型のもので、電極４５間のギャップはできるだけ小さく設定されている。電極４５間のギャップは、例えば０．１〜５．０ｍｍとされる。図５に示すように、電極４５上に固定される熱電変換素子４１は電極４５の端部ではなく、電極４５の表面における内側に配置され、その全周が電極４５の表面に囲繞される状態に配置されている。この場合、各熱電変換素子４１から電極４５の端縁までの距離Ｄは、素子間ギャップＧの１／２に設定されている。例えば熱電変換素子４１の一辺が２ｍｍ、素子間ギャップＧが５ｍｍであった場合には、距離Ｄは２．５ｍｍとなる。ちなみにこの場合の熱電変換素子４１の占有面積率は、表１に示すように８．２％である。
The
［２−３］熱電変換モジュールの作用効果
上記実施形態の熱電変換モジュール４０では、熱電変換素子４１間の間隔（素子間ギャップ）を従来と比較して大きく取った構成をポイントとしている。すなわち、熱交換領域に複数の熱電変換素子４１を配列する場合、占有面積率を６０％以下として比較的粗の状態で配列する。これにより、１つの熱電変換素子４１に対する周囲の熱交換領域の面積が大きくなり、その熱交換領域の熱が熱電変換素子４１に伝達される。熱電変換素子４１が存在しない熱交換領域、すなわち素子間ギャップの面積の増大によって、熱交換領域から熱電変換素子４１への熱の伝達効率が向上し、熱交換領域の熱交換量が増大する。
[2-3] Effect of Thermoelectric Conversion Module In the
このため、１つ当たりの熱電変換素子４１の貫通熱量が増大し、これによって発電量も増大する。したがって熱電変換素子４１の使用数を少なくしても全体の発電量を低減させることなく、熱電変換モジュール４０として一定の発電量を確保することができる。その結果、熱電変換モジュール４０に搭載する熱電変換素子４１の使用量を少なくしてコストの低減を効果的に図ることができる。
For this reason, the penetration heat quantity of the
また、電極４５は熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・ｋ以上と高い熱伝導率を有する材料で形成されるとともに、配列された状態で熱交換領域の全域をほぼカバーする大きさを有している。このため、熱交換領域から電極４５を経て熱電変換素子４１に達する熱量が効果的に増大し、１つ当たりの熱電変換素子４１の発電量をより増大させることができる。このため、コストの低減を促進させることができる。
The
また、電極４５に固定される一対の熱電変換素子４１は、その全周が電極４５の表面に囲繞される状態に配置されている。このように熱電変換素子４１の全周が電極４５の表面に囲まれているため、熱電変換素子４１の全周から電極４５の熱が熱電変換素子４１に伝達される。この構成により、例えば熱電変換素子４１が電極４５の端部に設置されている場合と比べると電極４５から熱電変換素子４１に伝達される熱量は多く、したがって熱電変換素子４１に達する熱量の増大に伴う１つ当たりの熱電変換素子４１の発電量の向上効果が一層促進される。
In addition, the pair of
［３］他の実施形態
図６は、高温側の板部２２の構成を変更した他の実施形態を示している。この場合、高温側の板部２２の熱電変換モジュール４０が配置される外面側に、熱伝導部５０を形成している。熱伝導部５０は、上記電極４５と同様に、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・ｋ以上の金属材料で形成されている。熱伝導部５０は、熱伝導率が高いものほど好ましいが、コスト等の他の要素を鑑みて適宜に選択される。熱伝導部５０は、例えばそのような金属からなる薄板を高温側の板部２２に張って固着することで形成されるが、形成の手段としてはこれに限定されない。高温側電極４５２は、熱伝導部５０に対し絶縁された状態で固定される。
[3] Other Embodiments FIG. 6 shows another embodiment in which the configuration of the
この形態では、比較的高い熱伝導率を有する熱伝導部５０により集熱効果が増大し、高温側の板部２２の熱交換領域から熱伝導部５０を経て熱電変換素子４１に達する熱量が効果的に増大する。このため、１つ当たりの熱電変換素子４１の発電量をより増大させることができる。
In this embodiment, the heat collection effect is increased by the
なお、熱伝導部５０を形成した場合には、熱伝導率の高い電極４５を小型化し、熱伝導の効率向上を主に熱伝導部５０によってなすようにすることができる。上記一実施形態のように熱伝導部５０を形成せず、電極４５を大型化することは、その大型の電極４５を熱伝導部５０として構成させることになり、その場合には構成が簡素化し、コストの低減をさらに促進させることができるという利点がある。熱伝導部５０は、少なくとも高温側の板部２２に設けることを必須とするが、合わせて低温側の板部１１に設けて冷却効率を向上させてもよい。
When the
［１］コストの検証
図１〜図３で示した構成の発電装置として、正方形状の断面積の一辺が２ｍｍ（２ｍｍサイズと言う）の熱電変換素子を、素子間ギャップを４ｍｍとした場合（実施例ａ）と、１ｍｍとした場合（実施例ｂ）に分け、熱交換領域の面積が１３５００ｍｍ２の管体の間に熱電変換素子を配列して熱電変換モジュールを搭載した。熱電変換素子の占有面積率および個数は、以下の通りである。
実施例ａ：「素子間ギャップが４ｍｍ」 占有面積率１１．１％、 ３７５個
実施例ｂ：「素子間ギャップが１ｍｍ」 占有面積率４４．４％、１５００個
図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ実施例ａ、ｂの発電装置において高温側の管体上に配列される熱電変換素子の粗密の状態を比較して示している。
[1] Verification of cost When the thermoelectric conversion element having one side of a square cross-sectional area of 2 mm (referred to as 2 mm size) is used as the power generation device having the configuration shown in FIGS. In the case of Example a) and 1 mm (Example b), a thermoelectric conversion module was mounted by arranging thermoelectric conversion elements between tubes having a heat exchange area of 13500 mm 2 . The occupation area ratio and the number of thermoelectric conversion elements are as follows.
Example a: “element gap is 4 mm” Occupied area ratio 11.1%, 375 examples b: “element gap is 1 mm” Occupied area ratio 44.4%, 1500 pieces FIG. ) Shows a comparison of the density of the thermoelectric conversion elements arranged on the high temperature side tubular bodies in the power generators of Examples a and b, respectively.
作製した上記２つの発電装置を、高温室および低温室に加熱流体および冷却媒体をそれぞれ供給して発電させたところ、両者の発電量は同等であった。実施例ａは実施例ｂよりも素子間ギャップが４倍と大きいものの発電量が同等であり、熱電変換素子の個数は１／４と大幅に少ない。すなわち、素子間ギャップを大きくしても同じ発電量を得られながら、熱電変換素子の個数を大幅に少なくすることができ、コスト低減を顕著に得られることが実証された。 When the produced two power generating devices were supplied with heating fluid and a cooling medium to the high temperature chamber and the low temperature chamber, respectively, and the power generation amount was the same. In Example a, the gap between the elements is four times larger than that in Example b, but the amount of power generation is the same, and the number of thermoelectric conversion elements is ¼, which is significantly smaller. That is, it was proved that the number of thermoelectric conversion elements can be greatly reduced and the cost can be significantly reduced while obtaining the same power generation amount even when the gap between elements is increased.
［２］素子間ギャップと１つ当たりの熱電変換素子の貫通熱量増加率の関係
熱電変換素子の搭載状態が図５に示した状態となる銅で形成した大型電極を用いて、素子間ギャップを１ｍｍ〜５ｍｍの間で１ｍｍおきに設定して熱電変換モジュールを構成した発電装置（実施例ｃ）と、同じ素子間ギャップで、搭載する一対の熱電変換素子が端部に搭載される小型電極を用いて熱電変換モジュールを構成した発電装置（実施例ｄ）を作製した。そして、これら発電装置の１つ当たりの熱電変換素子を貫通する熱量を調べた。図８は、実施例ｃの発電装置であって素子間ギャップが１ｍｍの場合を１とした場合の、各実施例ｃ、ｄの１つ当たりの熱電変換素子を貫通する熱量の増加率を示している。
[2] Relationship between the gap between elements and the rate of increase in the amount of through heat of each thermoelectric conversion element Using a large electrode formed of copper in which the mounting state of the thermoelectric conversion element is in the state shown in FIG. A power generation device (Example c) configured with a thermoelectric conversion module set every 1 mm between 1 mm and 5 mm, and a small electrode on which the pair of thermoelectric conversion elements to be mounted is mounted at the end with the same inter-element gap A power generator (Example d) was prepared using the thermoelectric conversion module. And the amount of heat which penetrates the thermoelectric conversion element per one of these power generators was investigated. FIG. 8 shows the rate of increase in the amount of heat penetrating the thermoelectric conversion element per one of each of Examples c and d when the power generation device of Example c is 1 when the gap between the elements is 1 mm. ing.
図８によれば、素子間ギャップが同じであっても、図５に示したような熱電変換素子の全周が電極表面で囲まれるように配置できる大型電極を用いた実施例ｃの方が熱電変換素子を貫通する熱量は増加している。また、素子間ギャップが大きくなり、それに伴って電極が大型になるにつれ、貫通熱量が増加している。これは大型電極の集熱による熱伝導効果が高いことを示している。 According to FIG. 8, even when the gap between the elements is the same, Example c using a large electrode that can be arranged so that the entire circumference of the thermoelectric conversion element as shown in FIG. The amount of heat passing through the thermoelectric conversion element is increasing. Further, as the gap between the elements becomes larger and the electrode becomes larger with the gap, the amount of through heat increases. This indicates that the heat conduction effect due to the heat collection of the large electrode is high.
［３］素子間ギャップと集熱効率
上記実施例ｃおよび実施例ｄの発電装置について、熱交換領域の単位面積当たりの集熱効率を調べた。図９は、実施例ｃおよびｄの発電装置の、素子間ギャップが１ｍｍの場合を１とした場合の、熱交換領域の単位面積当たりの集熱効率を示している。
[3] Gap between elements and heat collection efficiency The heat collection efficiency per unit area of the heat exchange region was examined for the power generators of Examples c and d. FIG. 9 shows the heat collection efficiency per unit area of the heat exchange region when the case where the gap between the elements is 1 mm is set to 1 in the power generation devices of Examples c and d.
図９によれば、図５に示したような熱電変換素子の全周が電極表面で囲まれるように配置できる大型電極を用いた場合（実施例ｃ）には、大型電極を用いない場合よりも、素子間ギャップが拡大しても集熱効率が低下することが抑えられて一定以上の発電量が確保されることを示している。 According to FIG. 9, when a large electrode that can be arranged so that the entire circumference of the thermoelectric conversion element as shown in FIG. 5 is surrounded by the electrode surface (Example c) is used, compared to the case where no large electrode is used. In other words, even when the gap between the elements is enlarged, the heat collection efficiency is prevented from decreasing, and a power generation amount of a certain level or more is secured.
１…発電装置（熱電変換装置）
１２…低温側の板部
２２…高温側の板部
４０…熱電変換モジュール
４５…電極
４１…熱電変換素子
５０…熱伝導部
1. Power generation device (thermoelectric conversion device)
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記高温側の板部および前記低温側の板部の間に配置され、該高温側の板部および該低温側の板部によって温度差が付与される熱電変換モジュールと、を備えた熱電変換装置であって、
前記熱電変換モジュールは、前記高温側の板部および前記低温側の板部のそれぞれに対向して配置される電極と、これら電極間に配置される熱電変換素子と、を有し、
前記熱電変換素子における総断面積の、前記熱交換領域に対し占める割合である占有面積率が、６０％以下であることを特徴とする熱電変換装置。 A high-temperature side plate portion and a low-temperature side plate portion that are arranged opposite to each other and have a heat exchange region;
A thermoelectric conversion device comprising: a thermoelectric conversion module disposed between the high temperature side plate portion and the low temperature side plate portion, and provided with a temperature difference by the high temperature side plate portion and the low temperature side plate portion. Because
The thermoelectric conversion module includes an electrode disposed to face each of the high temperature side plate portion and the low temperature side plate portion, and a thermoelectric conversion element disposed between these electrodes,
The occupation area ratio which is the ratio which occupies with respect to the said heat exchange area | region for the total cross-sectional area in the said thermoelectric conversion element is 60% or less, The thermoelectric conversion apparatus characterized by the above-mentioned.
１ｍｍ２以下では前記占有面積率が２５％以下、
１〜２．２５ｍｍ２では前記占有面積率が３０％以下、
２．２５ｍｍ２超〜１６ｍｍ２では前記占有面積率が５０％以下、
１６ｍｍ２超では前記占有面積率が６０％以下、
であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。 When the cross-sectional area of one thermoelectric conversion element is 1 mm 2 or less, the occupation area ratio is 25% or less.
In 1-2.25 mm 2 , the occupied area ratio is 30% or less,
In the range of more than 2.25 mm 2 to 16 mm 2 , the occupied area ratio is 50% or less,
If it exceeds 16 mm 2 , the occupied area ratio is 60% or less,
The thermoelectric conversion device according to claim 1, wherein:
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