JP2017162862A - 熱電変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】効率的に外部空間から熱を吸収し、熱電変換することができる熱電変換装置を提供する。【解決手段】熱電変換装置10は、熱電変換素子1、吸熱フィン2、および封止部材3を備える。熱電変換素子1は、一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する。吸熱フィン2は、板状の底面部21と底面部21の第1面211から突起した突起部22とを有する。封止部材3は、底面部21の第1面211とは反対側の第2面212に設けられた凹部24を封止する。そして、熱電変換素子1は、一端が凹部24の底面241に対向し、他端が封止部材3に対向するよう配置されて、凹部24内に封止されている。【選択図】図1
Description
本発明は熱電変換装置に関する。
熱電変換システムでは、熱電変換素子の一端を高温側、他端を低温側とし、両端の温度差によって電力を発生させる。ここで、外部空間から熱を吸収して熱電変換を行う装置では、吸熱フィンを熱電変換素子のケースに取り付け高温側とする。
特許文献1には、多孔質材料の空孔に、熱伝導率が大きくかつ融点が低温側部材の温度に近い温度である伝熱材料を含浸させたものを、熱応力緩和パッドとして用いる技術が記載されている。特許文献1では、伝熱材料が熱によって溶融又は軟化することで、隙間のない状態で、高温側部材の熱が熱応力緩和パッドを通じて低温側部材に伝達される。
特許文献2には、冷却フィンで熱電変換モジュール全体を覆う構造にし、冷却フィンの端部を熱源部にハンダ付けすることにより、熱電変換モジュールの取り付けを容易にし、締結ボルトで固定するよりも作業時間を短縮する技術が記載されている。
しかし、外部空間から熱を吸収して熱電変換を行う装置では、吸熱フィンが非常に高温になる。そのため、フィンやケースの熱変形が大きく、部材間の接触が損なわれて熱電変換素子とフィンとの間の熱伝達が低下する場合があった。そしてひいては、熱エネルギーと電気エネルギーの変換が効率良く行えない場合があった。
本発明は、効率的に外部空間から熱を吸収し、熱電変換することができる熱電変換装置を提供する。
本発明によれば、
一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子と、
板状の底面部と前記底面部の第1面から突起した突起部とを有する吸熱フィンと、
前記底面部の前記第1面とは反対側の第2面に設けられた凹部を、封止する封止部材とを備え、
前記熱電変換素子は、前記一端が前記凹部の底面に対向し、前記他端が前記封止部材に対向するよう配置されて、前記凹部内に封止されている
熱電変換装置
が提供される。
一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子と、
板状の底面部と前記底面部の第1面から突起した突起部とを有する吸熱フィンと、
前記底面部の前記第1面とは反対側の第2面に設けられた凹部を、封止する封止部材とを備え、
前記熱電変換素子は、前記一端が前記凹部の底面に対向し、前記他端が前記封止部材に対向するよう配置されて、前記凹部内に封止されている
熱電変換装置
が提供される。
本発明によれば、効率的に外部空間から熱を吸収し、熱電変換することができる熱電変換装置を提供できる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
なお、「〜」は特に断りがなければ、以上から以下を表す。
図1は、本実施形態に係る熱電変換装置10の断面模式図である。熱電変換装置10は、熱電変換素子1、吸熱フィン2、および封止部材3を備える。熱電変換素子1は、一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する。吸熱フィン2は、板状の底面部21と底面部21の第1面211から突起した突起部22とを有する。封止部材3は、底面部21の第1面211とは反対側の第2面212に設けられた凹部24を封止する。そして、熱電変換素子1は、一端が凹部24の底面241に対向し、他端が封止部材3に対向するよう配置されて、凹部24内に封止されている。以下に詳しく説明する。
熱電変換装置10は、たとえば、内燃機関や焼却炉等の燃焼装置の排気ガスを通す排気経路に設置される、排熱回収装置である。具体的には、熱電変換装置10の吸熱フィン2が排気ダクト等内に露出するよう、取り付けられる。吸熱フィン2は排気ガスに熱せられ熱電変換素子1の一端に熱を伝える、一方、熱電変換素子1の他端は冷却され、熱電変換素子1の両端の間には温度差が生じる。その温度差が大きいほど、熱電変換素子1に設けられた電極間には大きな起電力が発生する。
熱電変換素子1は、酸化等によりその熱電変換性能の劣化が生じるのを避けるため、容器23に収められている。ここで一般には、フィンと熱電変換素子の容器とは別々に設けられ、フィンの底部が容器の上面にボルトなどで固定される。この場合、フィンと容器とがそれぞれ熱変形することにより、フィンと容器との間の接触が損なわれ、熱伝導が低下する。
これに対し、本実施形態に係る熱電変換装置10においては、熱電変換素子1の容器23は吸熱フィン2の凹部24および封止部材3により形成される。すなわち、吸熱フィン2の底面部21と容器23とが一体となっている。そのため、吸熱フィン2が高温となって変形が生じても、吸熱フィン2の底面部21と容器23との間の熱伝導が損なわれることがない。よって、熱エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換できる。
本実施形態に係る吸熱フィン2について以下に詳しく説明する。吸熱フィン2は、底面部21および突起部22を有する。吸熱フィン2が複数の突起部22を備える場合には、いいかえれば吸熱フィン2には凹部が設けられているとみなすこともできる。吸熱フィン2が突起部22を有することにより、吸熱フィン2が配置される外部空間(たとえば排気ダクトの内側)に曝される表面積が大きくなり、効率良く外部空間の熱を回収できる。吸熱フィン2に備えられる突起部22は、一つであっても良いし、本図に示す様に複数であってもよい。外部空間から効率良く熱を吸収する観点から、吸熱フィン2は複数の突起部22を備えることが好ましい。その場合、複数の突起部22は、その主面を互いに平行に対向させて配置される。そうすることにより、外部空間を流れる流体が複数の突起部22の間を効率良く通り、効果的に熱を回収できる。
吸熱フィン2は、熱伝導性が高い材質からなる。たとえば吸熱フィン2は、銅、アルミニウム、鉄、およびステンレスからなる群から選択される一種以上の材料、またはこのような群から選択される二種以上が複合した複合材料のいずれかからなる。なお、吸熱フィン2の表面には腐食防止等のために表面処理やコーティングが施されていても良い。
吸熱フィン2はたとえば全体がひとつの金属塊から削り出して作製される。また、吸熱フィン2は、底面部21と突起部22とを別々に形成し、底面部21に突起部22を溶接することにより作製されても良い。いずれの場合も、切削により底面部21には凹部24が設けられる。すなわち、底面部21と容器23とは一体である。凹部24の底面241は、密着性を向上させるために高い平面度を有することが好ましい。凹部24は平面視で、すなわち底面部21に垂直上方向から見て(図1中で上から下方向を見て)、たとえば円形、矩形、または多角形とすることができる。凹部24の深さは特に限定されないが、たとえば5mm以上10mm以下である。
熱回収効率向上の観点から、突起部22の、第1面211に平行な方向の厚さt1(本図中「t1」で示す。)は底面部21の、凹部24が設けられた部分の厚さt2(本図中「t2」で示す。)より小さいことが好ましい。なお、吸熱フィン2が複数の突起部22を備える場合には、いずれの突起部22の厚さt1もt2より小さいことが好ましい。また、本図では、底面部21から離れる方向に突起部22の幅が一定である例を示しているが、突起部22の幅は底面部21から離れるにつれて大きくなっていてもよいし、小さくなっていても良い。なお、ここで突起部22の厚さt1とは、第1面211に平行な方向の最小厚さをいう。厚さt1は、たとえば0.05mm以上10mm以下である。
また、隣り合う二つの突起部22の第1面211に平行な方向の互いの距離w(本図中「w」で示す。)は、たとえば1mm以上30mm以下である。また、凹部24の側面と底面部21の側面との距離d1(本図中「d1」で示す。)はたとえば5mm以上30mm以下である。また、底面部21の凹部24が設けられていない部分の厚さt3(本図中「t3」で示す。)はたとえば5mmより大きく、60mm以下である。
底面部21の、凹部24が設けられた部分の厚さt2は、特に限定されないが、5mm以上であることが好ましく、20mm以上であることがより好ましい。また、底面部21の、凹部24が設けられた部分の厚さt2は、60mm以下であることが好ましい。厚さt2が5mm以上60mm以下の範囲内であることにより、底面部21での蓄熱と、冷却とのバランスがよく、熱電変換素子1の上下面間での温度差が大きくなる。また、厚さt2が5mm以上であることにより、吸熱フィン2の熱変形を抑制することができる。さらに、t2が60mm以下であることにより、コストやサイズに対する熱電変換効率のバランスが良好となる。たとえば、底面部21の厚さが大きすぎる場合、重量が大きくなり取付け部の負荷やコストが問題になる。また、底面部21が占める体積が大きくなるため突起部22から熱を取り込む効果が相対的に小さくなる。
なお、厚さt2が5mm以上60mm以下である場合、後述する冷却媒体の温度は特に限定されないが、たとえば5℃以上25℃以下であることが特に好ましい。なお、吸熱フィン2が曝される外部空間の温度(雰囲気の温度)は特に限定されないが、たとえば500℃以上900℃以下であることが特に好ましい。
本実施形態に係る熱電変換素子1は、凹部24および封止部材3により形成される容器23内に封止された状態であり、容器23の内部は減圧状態(大気圧未満)になっている。熱電変換素子1が減圧状態に封止されることにより、熱電変換材料が酸化されることを防ぎ、熱電変換効率の低下を避けることができる。また、容器23の内部は減圧状態である代わりに窒素等の不活性ガスが充填されていても良いし、減圧状態で、かつ不活性ガスが充填されていても良い。
図2は、本実施形態に係る容器23の内部を拡大して示した図である。本実施形態に係る熱電変換素子1は、n型熱電変換半導体111、p型熱電変換半導体112、第1電極121、および第2電極122を備える。なお、以下では、熱電変換素子1がn型熱電変換半導体111およびp型熱電変換半導体112をそれぞれ複数備える例について説明するが、これに限定されない。熱電変換素子1は、n型熱電変換半導体111およびp型熱電変換半導体112をそれぞれ一つずつ備えていても良い。
本実施形態に係る熱電変換装置10においては、一端101が高温側、他端102が低温側として温度差を生じさせることができる。熱電変換装置10において、熱電変換素子1の一端101と他端102との間の温度差が大きいほど、大きな起電力が生じる。したがって、外部空間の熱を効率良く一端101に伝えると共に、他端102を効率良く冷却し、一端101と他端102との温度差を大きくすることが重要である。
n型熱電変換半導体111およびp型熱電変換半導体112は底面241に平行な方向に交互に並んで配置されている。また、本実施形態に係るn型熱電変換半導体111およびp型熱電変換半導体112は平面視で、すなわち底面241について垂直上方向から見て(図2中で上から下方向を見て)、格子状に配列されている。
図3は、n型熱電変換半導体111およびp型熱電変換半導体112の配列の例を示す図である。図3中、n型熱電変換半導体111を白の四角形で表し、p型熱電変換半導体112を黒の四角形で表す。ただし、熱電変換素子1に含まれるn型熱電変換半導体111およびp型熱電変換半導体112の数や配置は本図の例に限定されず、適宜設定可能である。
図2に戻り、本実施形態に係る熱電変換素子1において、複数の第1電極121は熱電変換素子1の一端101側に設けられ、複数の第2電極122は熱電変換素子1の他端102側に設けられている。n型熱電変換半導体111およびp型熱電変換半導体112はそれぞれ、その一端が第1電極121、他端が第2電極122に接合されている。そして、第1電極121および第2電極122は、隣り合うn型熱電変換半導体111とp型熱電変換半導体112とを電気的に接続している。こうして、n型熱電変換半導体111とp型熱電変換半導体112は、第1電極121および第2電極122を介して交互に電気的に直列に接続されている。
直列に接続されたn型熱電変換半導体111およびp型熱電変換半導体112のうち、電気的な両端を成す第2電極122a,122bには、それぞれ第1配線131および第2配線132が接続されている。すなわち、図2の例では、n型熱電変換半導体111、p型熱電変換半導体112、第1電極121、および第2電極122の連結帯を一つの回路としてみた場合に、一方の端部を第2電極122a、他方の端部を第2電極122bが構成している。第2電極122aおよび第2電極122bにはそれぞれ一つの熱電変換半導体のみが接続されている。そして、第2電極122aおよび第2電極122bにはそれぞれ第1配線131および第2配線132が接続されている。なお、電気的な両端のうち少なくとも一方は第1電極121であってもよい。
第1配線131および第2配線132はそれぞれ蓋部材31を貫通して設けられた導入端子14を介して容器23の外部に導出される。なお、蓋部材31については後述する。また、蓋部材31のうち導入端子14を設ける位置は適宜設定することができる。
n型熱電変換半導体111およびp型熱電変換半導体112を構成する熱電変換材料としては、Bi2Te3系、PbTe系、GeTe−AgSbTe2系、SiGe系、Fe2Si系、Zn4Sb3系、B4C系、スクッテルダイト構造及びフィルドスクッテルダイト構造を有するRExM4Sb12(REは第1族のアルカリ元素、第2族のアルカリ土類元素、第3族の希土類元素、第4族元素、第13族元素からなる群から選択された少なくとも一種類以上の元素であり、0<x≦1であり、MはFe、Co、Ni等のFe族から選択された少なくとも一種以上の元素である)系材料、(Ti、Zr、Hf)NiSnを代表とするハーフホイスラー系材料、ホイスラー系材料、クラスレート系材料、シリサイド系材料、テトラヘドライト系材料、酸化物系材料などが挙げられる。
第1電極121および第2電極122は、例えば、鉄系、チタン系、銅系、アルミニウム系等の金属材料により構成されている。
なお、熱電変換素子1はさらに、拡散防止層やバリアメタル等を熱電変換材料と電極との間に備えてもよい。
本実施形態に係る熱電変換装置10は、絶縁部材15をさらに備える。絶縁部材15は、絶縁性と、高い熱伝導性を有する部材である。絶縁部材15を構成する材料としてはたとえばAlN、BN、Si3N4、Al2O3、BeO、MgOおよびSiO2が挙げられる。絶縁部材15は熱電変換素子1の一端101と凹部24の底面241との間、および熱電変換素子1の他端102と蓋部材31との間に設けられる。熱電変換装置10が絶縁部材15を備えることにより、熱電変換素子1と吸熱フィン2および封止部材3とを電気的に絶縁し、熱電変換素子1の両端に発生した電力を効率良く外部に取り出すことができる。なお、本図の例では、絶縁部材15は熱電変換素子1の一端101または他端102と接して設けられている。
本実施形態に係る熱電変換装置10は、第1弾性部材16および第2弾性部材17をさらに備える。第1弾性部材16は、熱電変換素子1の一端101と凹部24の底面241との間に設けられ、熱電変換素子1および封止部材3の一方を他方に向けて押しつける。また、第2弾性部材17は、熱電変換素子1の他端102と封止部材3との間に設けられ、熱電変換素子1および底面部21の一方を他方に向けて押しつける。
熱電変換装置10は第1弾性部材16および第2弾性部材17を備えることにより、熱電変換素子1の端部を吸熱フィン2および封止部材3に向けて押しつけ、密着性を高めることができる。また、第1弾性部材16および第2弾性部材17は、表面が高い柔軟性を有することが好ましい。そうすることで部材間を空隙なく密着させることができ、界面の熱抵抗を低減することができる。そしてひいては、吸熱フィン2と熱電変換素子1との間、および封止部材3と熱電変換素子1との間の熱伝導性を向上させることができる。なお、熱電変換装置10は、第1弾性部材16および第2弾性部材17のうちいずれか一方のみを備えても良い。
本実施形態において、具体的には第1弾性部材16は絶縁部材15と底面241との間に設けられ、第2弾性部材17は絶縁部材15と蓋部材31の容器23の内部側の面の間に設けられている。すなわち、第1弾性部材16は一端101と底面241との間に設けられ、第2弾性部材17は他端102と蓋部材31の容器23の内部側の面の間に設けられている。特に本図の例では、第1弾性部材16は凹部24の底面241に接しており、第2弾性部材17は、蓋部材31の容器23の内側の面に接している。
第1弾性部材16および第2弾性部材17はたとえば、それぞれ高い熱伝導性と弾力性を有するシート状の部材である。第1弾性部材16および第2弾性部材17としては、たとえばカーボンシートや高熱伝導性ゴムシートを用いることができる。第1弾性部材16および第2弾性部材17の厚さは特に限定されないが、密着性向上の観点から、たとえばそれぞれ10μm以上であることが好ましく、50μm以上であることがより好ましい。一方、第1弾性部材16および第2弾性部材17の厚さは、熱伝導性向上の観点から、たとえばそれぞれ800μm以下であることが好ましく、600μm以下であることが好ましい。なお、第1弾性部材16および第2弾性部材17は必ずしも互いに同じ材質または厚さである必要は無い。
図4は、本実施形態に係る封止部材3を拡大して示した図である。本実施形態に係る封止部材3は、容器23を構成する板状の蓋部材31と、容器23の外側で蓋部材31に対向して設けられた伝熱部材32とを備える。そして、伝熱部材32は冷却媒体331によって冷却される。また、封止部材3は流体の冷却媒体331で、伝熱部材32を冷却する冷却手段33をさらに備え、冷却媒体331は、伝熱部材32に直接接触する。以下に詳しく説明する。
蓋部材31は、吸熱フィン2の凹部24を覆い、容器23を構成している。具体的には蓋部材31の平面形状は、凹部24の開口と同じ形状である。蓋部材31の外周は凹部24の外周と溶接されているため、容器23の内部は密閉されている。そして、容器23の内部は減圧状態である。蓋部材31としてはたとえば、ステンレス、銅、鉄等の金属板材を用いることができる。蓋部材31の厚さはたとえば0.1mm以上0.5mm以下である。
図5(a)は、本実施形態に係る伝熱部材32の斜視図であり、図5(b)は本実施形態に係る蓋部材31および伝熱部材32等の関係を示す図である。図5(b)は、図4を下方向から見た配置に相当する。伝熱部材32は、たとえば底面形状が異なる柱体を高さ方向に二つ組み合わせた形状をしている。なお、図5(a)および(b)では、伝熱部材32が円柱を組み合わせた形状である例を示しているが、これに限定されず、たとえば角柱を組み合わせた形状であっても良い。また、いいかえると、伝熱部材32は、蓋部材31に対向する面321とは反対側に凸部325を有しているとみなせる。特に蓋部材31に押し当てられる面321の形状は、蓋部材31の形状と同じであることが好ましい。また、面321の大きさは、蓋部材31の大きさと同じであるか、または蓋部材31の大きさよりも小さいことが好ましい。また、伝熱部材32には、たとえば本図のように第1配線131および第2配線132を外部に引き出すための切り欠き324が設けられていてもよい。伝熱部材32の材質としては、特に限定されないが、熱伝導性が高いものが好ましく、たとえば銅、鉄、ステンレスが挙げられる。
図4に戻り、冷却手段33は、第1部材335および第2部材336を備える。第1部材335と第2部材336とは、複数のボルト334により互いに締め付けられており、冷媒槽37を構成している。冷媒槽37には冷却媒体331が満たされる。第1部材335と第2部材336とは、縁の部分がOリング333を挟んで締め付けられているため、内部の冷却媒体331が外部に漏れないようになっている。冷媒槽37のうち、第1部材335は吸熱フィン2側に配置される部材であり、第2部材336は、その反対側に配置される部材である。冷却媒体331としては、特に限定されないが、たとえば水、液化窒素、低温ガス(空気、He、N2等)が挙げられる。
第1部材335の上部には開口が設けられ、伝熱部材32の凸部325が冷媒槽37の内部に挿入されている。挿入された伝熱部材32と第1部材335の密着部332は、ウィルソンシール等のシール構造を成しているため、冷媒槽37内の冷却媒体331が外に漏れ出すことがない。伝熱部材32の面322は冷媒槽37内に露出し、冷却媒体331と直接接触して冷やされる。ここで、面322は、伝熱部材32の面であり、面321とは反対側の面である。Oリング等で容易に密閉できるよう、密着部332において、伝熱部材32の断面は円形であることが好ましい。
冷媒槽37には配管337および配管338が接続されている。配管337は冷却媒体331を冷媒槽37に導入する配管であり、配管338は、冷却媒体331を冷媒槽37から排出する配管である。配管337または配管338には、図示しないポンプ等が接続されており、冷却媒体331が循環されて冷媒槽37内が低温に保たれる。第1部材335、第2部材336、配管337、および配管338の材質としてはたとえばステンレスが挙げられる。
第1部材335と吸熱フィン2の間の空間の内、伝熱部材32以外の部分には断熱部材34が充填される。いいかえると、断熱部材34に設けられた開口341に伝熱部材32の凸部325以外の部分が挿入されている。そして、第1部材335は断熱部材34を挟んで吸熱フィン2に対しボルト35で固定される。具体的には、吸熱フィン2の底面部21にはねじ孔が、断熱部材34および第1部材335には通孔が設けられており、第1部材335および断熱部材34が吸熱フィン2にボルト35でねじ止めされる。なお、第1部材335に設けられた通孔部分には、シール構造が採用されており、冷媒槽37内から冷却媒体331が漏れ出さないようになっている。断熱部材34としてはたとえば、グラスウール等の繊維材料や多孔質材料を用いることができる。
ここで、伝熱部材32のうち凸部325の周囲の面323には第1部材335のうち底面部21に対向する面339が押し当てられる。したがって、ボルト35の締め付けにより、面321は蓋部材31に対して押しあてられる。この様に、伝熱部材32と蓋部材31が互いに押しつけられることにより、伝熱部材32と蓋部材31との密着を良好に保ち、高い熱伝導を確保することができる。なお、本図の例では、蓋部材31の容器23の外側の面と伝熱部材32とは互いに接している。さらに、蓋部材31は薄い板材であるため、伝熱部材32からの応力によって蓋部材31の容器23内に向く面は熱電変換素子1に向けて押し当てられ、熱電変換素子1への良好な熱伝導が確保される。
さらに、本実施形態においてボルト35はバネ36に通されており、冷媒槽37が吸熱フィン2に向けて押しつけられている。それと同時に伝熱部材32が蓋部材31に対して押しつけられている。すなわち、封止部材3は、容器23の外側に設けられ、伝熱部材32および蓋部材31の一方を他方に押しつける第3弾性部材をさらに備える。本実施形態において、第3弾性部材はバネ36である。この様に、弾性部材によって伝熱部材32と蓋部材31が互いに押しつけられることにより、吸熱フィン2に熱変形が生じた場合にも伝熱部材32と蓋部材31との密着を良好に保ち、高い熱伝導を確保することができる。なお、密着の対称性を確保する観点から、封止部材3は、複数の第3弾性部材を備えることが好ましい。
以下に、本実施形態に係る熱電変換装置10を使用する方法について説明する。上述の通り、熱電変換装置10は、たとえばダクトの側面に取り付けられて、吸熱フィン2の外部空間の熱を回収するために用いられる。
取り付けのためには、ダクトの側面に、ボルト35を通す孔および伝熱部材32を通す開口を設ける。そして、凹部24を蓋部材31で密閉し、容器23に熱電変換素子1を封止したユニットを、密閉したダクトの内側に配置する。ここで、蓋部材31が伝熱部材32を通す開口の位置に合うようにする。次いで、伝熱部材32を開口に通し、面321が蓋部材31に対向するように配置する。そして、ダクトの外側に断熱部材34および第1部材335を取り付け、ボルト35で吸熱フィン2と第1部材335とを締め付ける。次いで第2部材336を第1部材335に固定し、形成された冷媒槽37に冷却媒体331を循環させて使用する。
上記の取り付け方法により、ダクトの壁材は、吸熱フィン2の第2面212と、断熱部材34との間に配置されることとなる。本実施形態に係る熱電変換装置10は、伝熱部材32を備えることにより、ダクトの外側から蓋部材31を効率良く冷却することができる。
ダクトの中を高温のガスが流れると、突起部22が加熱されて高温になる。そして熱は突起部22から底面部21を介して熱電変換素子1に伝わり一端101が高温となる。
一方、冷却手段33により伝熱部材32が冷却され、蓋部材31を介して熱電変換素子1の他端102が低温となる。本実施形態に係る熱電変換装置10においては、伝熱部材32が底面部21のみを冷却する一方、冷媒槽37と吸熱フィン2の間には断熱部材34が設けられており第2面212が冷やされない。そのため、底面部21を高温に保つことができ、効率良く熱電変換を行える。
そして、一端101と他端102の温度差に応じて、熱電変換素子1では起電力が生じ、第1配線131および第2配線132を通して電気エネルギーが外部に取り出される。
本実施形態において、吸熱フィン2が曝される外部空間の温度(雰囲気の温度T1)はたとえば500℃以上900℃以下である。一方、冷媒槽37内の冷却媒体331の温度はたとえば5℃以上30℃以下である。そして、吸熱フィン2が曝される外部空間の温度と冷媒槽37内の冷却媒体331の温度との差はたとえば300℃以上900℃以下である。
なお、上記では、封止部材3が冷却手段33等を備える例について説明したが。これに限定されない。封止部材3は少なくとも蓋部材31を含めばよい。たとえば、蓋部材31が直接冷媒等で冷やされるようにしても良い。
また、封止部材3にはバネ36が設けられておらず、ボルト35のみで締め付けられていても良い。
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。
本実施形態に係る熱電変換装置10によれば、吸熱フィン2の底面部21と熱電変換素子1を収める容器23が一体化されていることにより、効率的に外部空間から熱を吸収し、熱電変換することができる。
本実施形態に係る熱電変換装置10によれば、吸熱フィン2の底面部21と熱電変換素子1を収める容器23が一体化されていることにより、効率的に外部空間から熱を吸収し、熱電変換することができる。
また、底面部21の、凹部24が設けられた部分の厚さが適切に設定されているため、熱電変換素子1の一端101と他端102との間の温度差を大きくすることができる。たとえば、底面部21の、凹部24が設けられた部分の厚さt2が5mm以上60mm以下であることにより、底面部21での蓄熱と、冷却とのバランスがよく、熱電変換素子1の上下面間での温度差を大きくすることができる。ひいては、効率良く外部空間の熱を電気エネルギーに変換できる。
また、第1〜第3弾性部材16,17,36を設けることにより、吸熱フィン2が高熱となり熱変形が生じても、部材間の接触を良好に保ち、高い熱伝導を確保することができる。
以下、本実施形態を、実施例を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態は、これらの実施例の記載に何ら限定されるものではない。
吸熱フィンおよび容器の構造と、熱電変換素子の端部の温度との関係を調べるためにシミュレーションを行った結果を以下に説明する。シミュレーションは、以下の様なモデルを作成し、有限要素法を用いて行った。
(実施例1)
図6(a)は、実施例1に係るシミュレーションモデル全体を示す図であり、図6(b)は、シミュレーションモデルにおいて熱電変換素子の高温側の一端を平面視した図である。作成したシミュレーションモデルには、吸熱フィンのモデル42、水のモデル43、伝熱部材のモデル44を設け、さらに、吸熱フィンのモデル42の内部に熱電変換素子のモデルを設けた。そして、吸熱フィンのモデル42の周囲の空間41には空気が満たされていることとした。また、各モデルの構造は、上述した実施形態と同様とした。ただし、第1弾性部材および第2弾性部材は設けなかった。また、容器を構成するために放熱フィンの底部に設けた凹部の深さは8.3mmとした。なお、図6(b)に見られる長方形は、それぞれ実施形態における第1電極121に相当する。ここで、熱電変換材料の配列は8行8列とした。
図6(a)は、実施例1に係るシミュレーションモデル全体を示す図であり、図6(b)は、シミュレーションモデルにおいて熱電変換素子の高温側の一端を平面視した図である。作成したシミュレーションモデルには、吸熱フィンのモデル42、水のモデル43、伝熱部材のモデル44を設け、さらに、吸熱フィンのモデル42の内部に熱電変換素子のモデルを設けた。そして、吸熱フィンのモデル42の周囲の空間41には空気が満たされていることとした。また、各モデルの構造は、上述した実施形態と同様とした。ただし、第1弾性部材および第2弾性部材は設けなかった。また、容器を構成するために放熱フィンの底部に設けた凹部の深さは8.3mmとした。なお、図6(b)に見られる長方形は、それぞれ実施形態における第1電極121に相当する。ここで、熱電変換材料の配列は8行8列とした。
具体的には、モデルに対し、各部材の物性値として密度および熱伝導率を定義してシミュレーションを行った。ここで、熱伝部材の材質は銅とし、吸熱フィンの材質はSUS304とした。また、水の温度は20℃、空気の温度(雰囲気の温度T1)を約748℃として表1に示す結果を出た。
図7は、実施例1で得られた、放熱フィンの底面部の凹部が設けられた部分の厚さt2と、熱電変換素子の高温側の一端の平均温度T2との関係を示す図である。本図では、表1に示す結果がプロットされている。厚さt2と温度T2との関係は、本図中、破線で示す対数関数で良く近似された。本図に示す様に、厚さt2を増大させるにつれ、温度T2が高くなった。そして、厚さt2が51.7mmを超えると温度T2は飽和傾向にあった。よって、厚さt2を60mm以下とすることにより、コストやサイズに対する熱電変換効率のバランスを良好に保ちつつ、効率良く熱電変換を行うことができることが分かった。
(実施例2)
実施例1と同様にして熱電変換素子の高温側の一端の平均温度T2が430〜440℃となる場合の、雰囲気温度T1と放熱フィンの底面部の凹部が設けられた部分の厚さt2との関係を求めた。結果を表2に示す。
実施例1と同様にして熱電変換素子の高温側の一端の平均温度T2が430〜440℃となる場合の、雰囲気温度T1と放熱フィンの底面部の凹部が設けられた部分の厚さt2との関係を求めた。結果を表2に示す。
図8は、雰囲気の温度T1と放熱フィンの底面部の凹部が設けられた部分の厚さt2との関係を示す図である。本図では、表2に示す結果がプロットされている。本実施例の結果より、底面部の凹部が設けられた部分の厚さt2を適切に設定することにより、熱電変換素子の高温側の一端の平均温度T2を430℃以上とすることができ、熱電変換素子の一端と他端との間に十分な温度差を生じさせることができることが分かった。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
1 熱電変換素子
2 吸熱フィン
3 封止部材
10 熱電変換装置
14 導入端子
15 絶縁部材
16 第1弾性部材
17 第2弾性部材
21 底面部
22 突起部
23 容器
24 凹部
31 蓋部材
32 伝熱部材
33 冷却手段
34 断熱部材
35 ボルト
36 バネ(第3弾性部材)
37 冷媒槽
41 空間
42 吸熱フィンのモデル
43 水のモデル
44 伝熱部材のモデル
101 一端
102 他端
111 n型熱電変換半導体
112 p型熱電変換半導体
121 第1電極
122,122a,122b 第2電極
131 第1配線
132 第2配線
211 第1面
212 第2面
241 底面
321 面
322 面
323 面
324 切り欠き
325 凸部
331 冷却媒体
332 密着部
333 Oリング
334 ボルト
335 第1部材
336 第2部材
337 配管
338 配管
339 面
341 開口
2 吸熱フィン
3 封止部材
10 熱電変換装置
14 導入端子
15 絶縁部材
16 第1弾性部材
17 第2弾性部材
21 底面部
22 突起部
23 容器
24 凹部
31 蓋部材
32 伝熱部材
33 冷却手段
34 断熱部材
35 ボルト
36 バネ(第3弾性部材)
37 冷媒槽
41 空間
42 吸熱フィンのモデル
43 水のモデル
44 伝熱部材のモデル
101 一端
102 他端
111 n型熱電変換半導体
112 p型熱電変換半導体
121 第1電極
122,122a,122b 第2電極
131 第1配線
132 第2配線
211 第1面
212 第2面
241 底面
321 面
322 面
323 面
324 切り欠き
325 凸部
331 冷却媒体
332 密着部
333 Oリング
334 ボルト
335 第1部材
336 第2部材
337 配管
338 配管
339 面
341 開口
Claims (9)
- 一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子と、
板状の底面部と前記底面部の第1面から突起した突起部とを有する吸熱フィンと、
前記底面部の前記第1面とは反対側の第2面に設けられた凹部を、封止する封止部材とを備え、
前記熱電変換素子は、前記一端が前記凹部の底面に対向し、前記他端が前記封止部材に対向するよう配置されて、前記凹部内に封止されている
熱電変換装置。 - 請求項1に記載の熱電変換装置において、
前記底面部の、前記凹部が設けられた部分の厚さが5mm以上60mm以下である
熱電変換装置。 - 請求項1または2に記載の熱電変換装置において、
前記熱電変換素子の前記一端と前記凹部の底面との間に設けられ、前記熱電変換素子および前記封止部材の一方を他方に向けて押しつける第1弾性部材と、
前記熱電変換素子の前記他端と前記封止部材との間に設けられ、前記熱電変換素子および前記底面部の一方を他方に向けて押しつける第2弾性部材とをさらに備える
熱電変換装置。 - 請求項3に記載の熱電変換装置において、
前記熱電変換素子は前記凹部および前記封止部材により形成される容器内に封止された状態であり、前記容器の内部は減圧状態になっている
熱電変換装置。 - 請求項4に記載の熱電変換装置において、
前記封止部材は、前記容器を構成する板状の蓋部材と、前記容器の外側で前記蓋部材に対向して設けられた伝熱部材を備え、
前記伝熱部材は冷却媒体によって冷却される
熱電変換装置。 - 請求項5に記載の熱電変換装置において、
前記封止部材は、前記容器の外側に設けられ、前記伝熱部材および前記蓋部材の一方を他方に押しつける第3弾性部材をさらに備える
熱電変換装置。 - 請求項6に記載の熱電変換装置において、
前記第3弾性部材はバネである
熱電変換装置。 - 請求項5から7のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
前記封止部材は流体の前記冷却媒体で前記伝熱部材を冷却する冷却手段をさらに備え、
前記冷却媒体は前記伝熱部材に直接接触する
熱電変換装置。 - 請求項1から8のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
前記突起部の前記第1面に平行な方向の厚さは、前記底面部の前記凹部が設けられた部分の厚さより小さい
熱電変換装置。
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- 2016-03-07 JP JP2016043196A patent/JP2017162862A/ja active Pending
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