JPH05167104A - Thermoelectric generator with heat accumulating material - Google Patents
Thermoelectric generator with heat accumulating materialInfo
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- JPH05167104A JPH05167104A JP3353712A JP35371291A JPH05167104A JP H05167104 A JPH05167104 A JP H05167104A JP 3353712 A JP3353712 A JP 3353712A JP 35371291 A JP35371291 A JP 35371291A JP H05167104 A JPH05167104 A JP H05167104A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、熱電素子を用いた発電
装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power generator using a thermoelectric element.
【０００２】[0002]
【従来の技術】熱電素子を利用して発電を行うことは周
知であり、例えば特開昭62-237226号には、給湯機にお
ける湯水の温度差を利用して発電を行うことが提案され
ている。また、太陽エネルギなどによる熱源を利用して
熱電素子に温度差を与え、発電をすることも知られてい
る。2. Description of the Related Art It is well known that electric power is generated by using a thermoelectric element. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 62-237226 proposes to generate electric power by utilizing a temperature difference between hot and cold water in a water heater. There is. It is also known to generate a power by giving a temperature difference to a thermoelectric element using a heat source such as solar energy.
【０００３】今日の高性能の熱電素子は、一般に、化合
物半導体からなり、例えばｐ型半導体とｎ型半導体とを
熱電対の形に接合することにより構成されている。熱電
素子の高温側接合部と低温側接合部との間に温度差を与
えると、熱起電力が生じ、電位差が発生する。この現象
は、ゼーベック効果として知られている。Today's high-performance thermoelectric elements are generally made of compound semiconductors, for example, by bonding a p-type semiconductor and an n-type semiconductor in the form of a thermocouple. When a temperature difference is applied between the high temperature side joint portion and the low temperature side joint portion of the thermoelectric element, thermoelectromotive force is generated and a potential difference is generated. This phenomenon is known as the Seebeck effect.
【０００４】今日では、熱電素子を形成するための種々
の化合物半導体材料が知られており、熱電素子を構成す
る半導体材料に応じ、熱電素子は異なる熱起電力特性を
有する。即ち、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系半導体材料からな
る熱電素子は約２００℃以下の比較的低温で良好な熱起
電力特性を示し、Ｆｅ−Ｓｉ系半導体材料からなる熱電
素子は３００℃以上の比較的高温で最大の熱起電力特性
を呈する。しかし、異なる材料に共通していることは、
図１に一般的に示したように、熱電素子の熱起電力特性
（例えば、ゼーベック係数Ｓ（Ｖ／Ｋ））は、大なり小
なり、或る温度（図１の例ではＴS-MAX）においてピー
クを示す傾向にあるということである。Nowadays, various compound semiconductor materials for forming a thermoelectric element are known, and the thermoelectric element has different thermoelectromotive force characteristics depending on the semiconductor material forming the thermoelectric element. That is, for example, a thermoelectric element made of a Bi-Te based semiconductor material exhibits good thermoelectromotive force characteristics at a relatively low temperature of about 200 ° C or lower, and a thermoelectric element made of an Fe-Si based semiconductor material has a relatively high temperature of 300 ° C or higher. It exhibits maximum thermoelectromotive force characteristics at high temperatures. But what is common to different materials is that
As generally shown in FIG. 1, the thermoelectromotive force characteristic (for example, Seebeck coefficient S (V / K)) of the thermoelectric element becomes larger or smaller at a certain temperature (T S-MAX in the example of FIG. 1). ), It tends to show a peak.
【０００５】他方、熱電素子が発生する電気エネルギは
ゼーベック係数Ｓのカーブを温度について積分したもの
に等しい。即ち、図１に示した例では、熱電素子が発生
する電気エネルギは、熱電素子の低温側接合部の温度Ｔ
S-Lと高温側接合部の温度ＴS-Hとの間の面積（図１にシ
ングル・ハッチングで示した領域）に等しい。そこで、
従来の熱電発電においては、熱電素子を形成する熱電半
導体材料の特性に応じて最も良い熱電変換効率で熱電素
子を作動させるため、温度範囲ＴS-L〜ＴS-Hの中心がほ
ぼピーク特性温度ＴS-MAXに一致するように半導体材料
を選択するのが一般的である。On the other hand, the electric energy generated by the thermoelectric element is equal to the curve of the Seebeck coefficient S integrated over temperature. That is, in the example shown in FIG. 1, the electric energy generated by the thermoelectric element is the temperature T of the low temperature side joint portion of the thermoelectric element.
It is equal to the area between SL and the temperature T SH of the high temperature side junction (the area shown by single hatching in FIG. 1). Therefore,
In the conventional thermoelectric power generation, in order to operate the thermoelectric element with the best thermoelectric conversion efficiency according to the characteristics of the thermoelectric semiconductor material forming the thermoelectric element, the center of the temperature range T SL to T SH is almost the peak characteristic temperature T S-. It is common to select semiconductor materials to match MAX .
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】斯る選択は、低温側接
合部の温度ＴS-Lおよび高温側接合部の温度ＴS-Hが一定
不変である限り、その初期の目的を達成することができ
る。Such a selection can achieve its initial purpose as long as the temperature T SL of the low temperature side junction and the temperature T SH of the high temperature side junction are constant.
【０００７】しかしながら、従来技術においては、熱電
素子の高温側接合部を加熱するための熱源の温度が変動
するような条件下において、熱電素子を最大限の発電効
率で作動させるという工夫は全くなされていない。However, in the prior art, a device for operating the thermoelectric element at the maximum power generation efficiency is completely made under the condition that the temperature of the heat source for heating the high temperature side joint portion of the thermoelectric element varies. Not not.
【０００８】本発明の目的は、熱電素子の高温側接合部
を加熱するための熱源の温度が変動するような条件下で
熱電発電を行う場合において、熱電素子をなるべく常時
最大限の発電効率で作動させ、熱電素子が発生する総電
気エネルギを増加させることの可能な熱電発電装置を提
供することにある。An object of the present invention is to carry out thermoelectric power generation under conditions in which the temperature of a heat source for heating a high temperature side junction portion of the thermoelectric element fluctuates, and the thermoelectric element should always have maximum power generation efficiency as much as possible. It is an object of the present invention to provide a thermoelectric generator capable of operating and increasing the total electric energy generated by a thermoelectric element.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段および作用】このため、本
発明は、次のような新規な知見に立脚するものである。Therefore, the present invention is based on the following novel knowledge.
【００１０】即ち、再び図１を参照するに、本発明の発
明者は、熱電素子の熱起電力特性は前述したように温度
に関してピーク的変化を呈するので、熱電素子の高温側
接合部の温度が理想的温度範囲（ＴS-L〜ＴS-H）の上限
温度ＴS-Hを超えるような条件においては、この温度超
過分の熱エネルギにより発生される追加的電気エネルギ
（図１にクロス・ハッチングで示した領域の面積に等し
い）はそれ程大きいものではなく、従って、より高い発
電効率による熱電変換にこの追加的熱エネルギを有効利
用することにより、熱電素子が発電する電気エネルギを
全体として増加させることができる、ということを見出
したものである。That is, referring to FIG. 1 again, the inventor of the present invention has found that the thermoelectromotive force characteristic of the thermoelectric element exhibits a peak change with respect to temperature as described above, so that the temperature of the high temperature side junction portion of the thermoelectric element is Under the condition that exceeds the upper limit temperature T SH of the ideal temperature range (T SL to T SH ), the additional electric energy generated by the heat energy of this temperature excess (shown by cross hatching in FIG. 1). (Equal to the area of the region) is not so large, therefore, by effectively utilizing this additional heat energy for thermoelectric conversion with higher power generation efficiency, the electric energy generated by the thermoelectric element can be increased as a whole. It was found that.
【００１１】そこで、本発明の原理は、熱源の温度が前
記上限温度ＴS-Hを超える場合には、この上限温度ＴS-H
を超える追加的熱エネルギを一時的に相変化蓄熱材に蓄
えておき、熱源の温度が前記温度ＴS-Hを下回るときに
は蓄熱材に蓄えられた熱エネルギを放出させて熱電素子
の高温側接合部を加熱することにより、出来るだけ熱電
発電効率の良い温度範囲（ＴS-L〜ＴS-H）で熱電素子を
作動させようというものである。[0011] Therefore, the principles of the present invention, when the temperature of the heat source is more than the upper limit temperature T SH is the upper limit temperature T SH
Is temporarily stored in the phase-change heat storage material, and when the temperature of the heat source is lower than the temperature T SH , the heat energy stored in the heat storage material is released and the high temperature side joint portion of the thermoelectric element is released. By heating, the thermoelectric element is operated in the temperature range (T SL to T SH ) where thermoelectric generation efficiency is as high as possible.
【００１２】このため、本発明の熱電発電装置は、熱電
素子が温度に関してピーク的変化を呈する熱起電力特性
を有し、熱電素子の高温側接合部を加熱する手段と熱電
素子の高温側接合部との間には相変化蓄熱材が少なくと
も部分的に介在させてあり、前記相変化蓄熱材は、熱電
素子の熱起電力特性の前記ピークを中心とする所与の温
度範囲（ＴS-L〜ＴS-H）のほぼ上限を限定する温度（Ｔ
S-H）において相変化を生じるべく組成が選ばれている
ことを特徴とするものである。Therefore, the thermoelectric generator of the present invention has a thermoelectromotive force characteristic in which the thermoelectric element exhibits a peak change with respect to temperature, and means for heating the high temperature side joint portion of the thermoelectric element and the high temperature side joint of the thermoelectric element. A phase change heat storage material is at least partially interposed between the phase change heat storage material and the part, and the phase change heat storage material has a given temperature range (T SL ~ The temperature (T SH ) that limits the upper limit of
The composition is selected so that a phase change occurs in SH ).
【００１３】図１を参照するに、熱源の温度が上限温度
（ＴS-H）を中心として温度△Ｔだけ変動するような条
件下では、本発明の蓄熱材が無い場合には、熱源温度が
ＴS-HからＴS-H＋△Ｔまで増加することにより得られる
追加的電気エネルギは図１にクロス・ハッチングで示し
た領域の面積に等しいにすぎない。Referring to FIG. 1, under the condition that the temperature of the heat source fluctuates by the temperature ΔT around the upper limit temperature (T SH ), the heat source temperature is T when the heat storage material of the present invention is not provided. The additional electrical energy obtained by increasing from SH to T SH + ΔT is only equal to the area of the area shown by cross hatching in FIG.
【００１４】これに対して、本発明によれば、蓄熱材は
温度（ＴS-H）において相変化を生じるべく組成が選ば
れているので、熱源温度がＴS-HからＴS-H＋△Ｔまで増
加する際の追加的熱エネルギは先ず蓄熱材に相変化潜熱
として蓄熱される。この間、熱電素子は図１にシングル
・ハッチングで示した面積に相当する電気エネルギを生
産している。次に、熱源温度がＴS-HからＴS-H−△Ｔま
で低下する際には、この潜熱は放出され、熱電素子の高
温側接合部を温度ＴS-Hに維持するので、温度ＴS-H−△
Ｔから温度ＴS-Hまでの面積に相当する電気エネルギが
潜熱の放出により得られることになる。明らかに、この
電気エネルギは、本発明の蓄熱材が無い場合に得られる
電気エネルギ（図１にクロス・ハッチングで示した領域
の面積に等しい）より大きいので、本発明によれば、全
体としてより高い効率の熱電変換を行うことができる。[0014] In contrast, according to the present invention, the heat storage material is increased because the composition to produce a phase change at a temperature (T SH) is selected, the heat source temperature from T SH to T SH + △ T The additional heat energy at that time is first stored in the heat storage material as phase change latent heat. During this time, the thermoelectric element produces electric energy corresponding to the area shown by the single hatching in FIG. Next, when the heat source temperature decreases from T SH to T SH −ΔT, this latent heat is released, and the high temperature side junction of the thermoelectric element is maintained at the temperature T SH , so the temperature T SH −Δ
The electric energy corresponding to the area from T to the temperature T SH is obtained by releasing the latent heat. Obviously, this electrical energy is greater than the electrical energy obtained in the absence of the heat storage material of the invention (equal to the area of the area shown by cross-hatching in FIG. 1), so that according to the invention, as a whole, It is possible to perform highly efficient thermoelectric conversion.
【００１５】本発明の上記特徴や効果、ならびに、他の
特徴や利点は、以下の実施例の記載に従い更に明らかと
なろう。The above-mentioned features and effects of the present invention, as well as other features and advantages, will be more apparent from the description of the following embodiments.
【００１６】[0016]
【実施例】以下、本発明の実施例を示す添付図面を参照
しながら、本発明をより詳しく説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings showing the embodiments of the present invention.
【００１７】図２は本発明の熱電発電装置を給湯用の混
合弁装置に適用した実施例を一部断面図で示す模式図、
図３は図２に示した熱電発電装置の蓄熱槽を取り外した
ところを示す斜視図、図４は図２に示した熱電発電装置
の熱電素子モジュールの部分斜視図である。FIG. 2 is a schematic view showing a partial cross-sectional view of an embodiment in which the thermoelectric generator of the present invention is applied to a mixing valve device for hot water supply,
FIG. 3 is a perspective view showing a state where the heat storage tank of the thermoelectric generator shown in FIG. 2 is removed, and FIG. 4 is a partial perspective view of the thermoelectric element module of the thermoelectric generator shown in FIG.
【００１８】図２を参照するに、この実施例に係る熱電
発電装置１０は、給湯機（図示せず）から供給される約
７０℃強の湯と水道水との間の温度差を利用して本発明
に従い発電を行い、得られた電力で混合弁装置１２を駆
動するようになっている。Referring to FIG. 2, the thermoelectric generator 10 according to this embodiment utilizes a temperature difference between hot water of about 70 ° C. and tap water supplied from a water heater (not shown). Power is generated according to the present invention, and the mixing valve device 12 is driven by the obtained power.
【００１９】即ち、図２に示したように、この発電装置
１０は、熱電素子モジュール１４と、この熱電素子モジ
ュールに伝熱接触関係で配置された２つの熱交換パイプ
１６および１８を備えている。湯用の熱交換パイプ１６
は給湯機（図示せず）から湯の供給を受け、熱電素子モ
ジュール１４の高温側接合部および蓄熱槽２０内の蓄熱
材に熱エネルギの一部を伝えると共に、混合弁装置１２
の湯入口２２に湯を供給する。水道水の供給を受ける水
用の熱交換パイプ１８は、熱電素子モジュール１４の低
温側接合部を冷却すると共に、混合弁装置１２の水入口
２４に水を送る。これらの熱交換パイプ１６、１８は図
３に示したように蛇行させてあり、熱電素子モジュール
と効果的に熱交換を行うようになっている。That is, as shown in FIG. 2, the power generation device 10 includes a thermoelectric element module 14 and two heat exchange pipes 16 and 18 arranged in a heat transfer contact relationship with the thermoelectric element module 14. .. Heat exchange pipe 16 for hot water
Is supplied with hot water from a water heater (not shown), transfers a part of the thermal energy to the high temperature side joint of the thermoelectric element module 14 and the heat storage material in the heat storage tank 20, and at the same time, the mixing valve device 12
Hot water is supplied to the hot water inlet 22. The water heat exchange pipe 18 supplied with tap water cools the low temperature side joint portion of the thermoelectric element module 14 and sends water to the water inlet 24 of the mixing valve device 12. These heat exchange pipes 16 and 18 are made to meander as shown in FIG. 3 so as to effectively exchange heat with the thermoelectric element module.
【００２０】図４に示したように、熱電素子モジュール
１４は、ｐ型半導体２６とｎ型半導体２８とを金属板３
０によって熱電対の形に接合することにより一対の熱電
素子３２を構成してなり、同一列の隣り合う熱電素子３
２は金属端子３４によって互いに直列に電気接続されて
いる。また、前後の列の熱電素子３２も例えば金属板３
６によって互いに直列に電気接続されている。このよう
にして、互いに直列接続された１００以上の対の熱電素
子３２によって１つのモジュール１４を構成することが
できる。夫々の熱電素子モジュール１４は電気絶縁性で
伝熱性のアルミナ・セラミック基板３８および４０によ
って支持されている。湯用の熱交換パイプ１６と伝熱接
触するセラミック基板３８は夫々の熱電素子３２の高温
側接合部としての金属板３０を加熱し、水用の熱交換パ
イプ１８と伝熱接触するセラミック基板４０は夫々の熱
電素子３２の低温側接合部を冷却する。湯用の熱交換パ
イプ１６に供給される湯の温度が約７０℃強と比較的低
温であることに鑑み、熱電素子モジュール１４は、この
前後の温度範囲で良好な熱電変換能力を有するＢｉ−Ｔ
ｅ系の半導体材料で形成するのが好ましい。この半導体
材料は、理想的作動温度範囲の上限温度ＴS-H（図１参
照）が約７０℃となるように組成を選択することができ
る。As shown in FIG. 4, the thermoelectric element module 14 includes a p-type semiconductor 26 and an n-type semiconductor 28 in the metal plate 3.
A pair of thermoelectric elements 32 are formed by joining the thermoelectric elements 32 in the form of thermocouples, and the adjacent thermoelectric elements 3 in the same row are connected to each other.
2 are electrically connected to each other in series by metal terminals 34. Further, the thermoelectric elements 32 in the front and rear rows are also made of the metal plate 3 for example.
6 are electrically connected to each other in series. In this way, one module 14 can be configured with 100 or more pairs of thermoelectric elements 32 connected in series with each other. Each thermoelectric module 14 is supported by electrically insulating and thermally conductive alumina ceramic substrates 38 and 40. The ceramic substrate 38 in heat transfer contact with the heat exchange pipe 16 for hot water heats the metal plate 30 as the high temperature side joint of each thermoelectric element 32, and the ceramic substrate 40 in heat transfer contact with the heat exchange pipe 18 for water. Cools the cold side joint of each thermoelectric element 32. Considering that the temperature of the hot water supplied to the heat exchange pipe 16 for hot water is about 70 ° C., which is a relatively low temperature, the thermoelectric element module 14 has a Bi-having a good thermoelectric conversion capability in the temperature range before and after this. T
It is preferably formed of an e-based semiconductor material. The composition of the semiconductor material can be selected so that the upper limit temperature T SH (see FIG. 1) in the ideal operating temperature range is about 70 ° C.
【００２１】熱電素子モジュール１４が発生した電力
は、充電可能なバッテリ４２に一旦送られ、そこから混
合弁１２を制御するための制御回路４４に供給される。The electric power generated by the thermoelectric element module 14 is once sent to a rechargeable battery 42, and from there is supplied to a control circuit 44 for controlling the mixing valve 12.
【００２２】湯水混合弁１２は従来型のもので、湯入口
２２および水入口２４から夫々の逆止弁４６および４８
を介して流入した湯と水はバランス弁５０によって同一
圧力に調整された後、制御弁５２および５４によって流
量制御される。湯用の制御弁５２と水用の制御弁５４は
同じ構成を有するので、湯用の制御弁５２のみについて
説明するに、制御弁５２はダイアフラム５６に固定され
た可動弁体５８を有し、この可動弁体５８はリニア・ア
クチュエータ６０のモータ６２によって駆動されるプラ
ンジャ６４により出口パイプ６６に押圧されるようにな
っている。可動弁体５８には中央開口６８およびオリフ
ィス７０が設けてある。従って、モータ６２の回転によ
りプランジャ６４が可動弁体５８を押圧して出口パイプ
６６に密着させたときには、弁体５８の開口６８もプラ
ンジャ６４によって閉鎖され、湯の供給は停止する。こ
の状態では、混合弁装置１２の出口７２は大気圧下にあ
り、他方、オリフィス６８を介して圧力室７４内には供
給圧力が作用しているので、可動弁体５８は出口パイプ
６６の断面積に作用する供給圧力とプランジャ６４の圧
力とによって出口パイプ６６に押圧されており、湯の供
給を確実に遮断する。制御回路４４からの指令によりモ
ータ６２が回転してプランジャ６４が図２中右方に退却
すると、可動弁体５８は出口パイプ６６を開放し、湯の
供給が開始される。湯の流量はプランジャ６４の変位に
より定まる。水用の制御弁５４の動作も同様である。従
って、制御回路４４により夫々の制御弁５２および５４
を制御することにより、湯水の供給をオン／オフ制御す
ると共に、湯水の混合比を変えて供給湯温を要求温度に
可変制御することができる。供給湯温はサーミスタ７６
によって検出され、制御回路４４にフィードバックされ
る。斯く温度調節された温水は例えばシャワーヘッド７
８に送られる。The hot and cold water mixing valve 12 is of a conventional type and is provided with check valves 46 and 48 from the hot water inlet 22 and the hot water inlet 24, respectively.
The hot water and the water flowing in through the valve are adjusted to the same pressure by the balance valve 50, and then the flow rates are controlled by the control valves 52 and 54. Since the hot water control valve 52 and the hot water control valve 54 have the same structure, only the hot water control valve 52 will be described. The control valve 52 has a movable valve body 58 fixed to the diaphragm 56. The movable valve body 58 is pressed against an outlet pipe 66 by a plunger 64 driven by a motor 62 of a linear actuator 60. The movable valve body 58 is provided with a central opening 68 and an orifice 70. Therefore, when the plunger 64 presses the movable valve body 58 to bring it into close contact with the outlet pipe 66 by the rotation of the motor 62, the opening 68 of the valve body 58 is also closed by the plunger 64, and the supply of hot water is stopped. In this state, the outlet 72 of the mixing valve device 12 is under the atmospheric pressure, while the supply pressure acts in the pressure chamber 74 through the orifice 68, the movable valve element 58 disconnects the outlet pipe 66. It is pressed against the outlet pipe 66 by the supply pressure acting on the area and the pressure of the plunger 64, and the supply of hot water is surely cut off. When the motor 62 rotates in response to a command from the control circuit 44 and the plunger 64 retracts to the right in FIG. 2, the movable valve body 58 opens the outlet pipe 66, and the supply of hot water is started. The flow rate of the hot water is determined by the displacement of the plunger 64. The operation of the water control valve 54 is similar. Thus, the control circuit 44 causes the respective control valves 52 and 54 to
The hot water supply can be controlled to be turned on / off and the hot water supply temperature can be variably controlled to the required temperature by changing the mixing ratio of the hot water. Hot water supply is thermistor 76
Is detected by and is fed back to the control circuit 44. The hot water whose temperature has been adjusted as described above is, for example, the shower head 7
Sent to 8.
【００２３】図２に示したように、この実施例では、蓄
熱槽２０は、セラミック基板３８と、そこに液密に装着
された断熱材からなるハウジング８０とで形成されてい
る。本発明に従い、蓄熱槽２０内には相変化蓄熱材８２
が装入してある。給湯機（図示せず）から供給される湯
の温度が約７０℃強であることを考慮すれば、蓄熱材８
２は約７０℃の温度で相変化が起こる蓄熱材組成物を選
択するのが好ましく、例えば、Ｃ32Ｈ66をベースとする
融点約７０℃のパラフィンワックス組成物を使用するこ
とができる。As shown in FIG. 2, in this embodiment, the heat storage tank 20 is formed of a ceramic substrate 38 and a housing 80 made of a heat insulating material and liquid-tightly mounted thereon. According to the present invention, the phase change heat storage material 82 is provided in the heat storage tank 20.
Is charged. Considering that the temperature of hot water supplied from a water heater (not shown) is about 70 ° C. or higher, the heat storage material 8
2 is preferably a heat storage material composition which undergoes a phase change at a temperature of about 70 ° C. For example, a paraffin wax composition having a melting point of about 70 ° C. based on C 32 H 66 can be used.
【００２４】この場合、給湯機から約７０℃強の湯が熱
交換パイプ１６に供給されているときには、熱交換パイ
プ１６は熱電素子モジュール１４の基板３８に直接伝熱
接触しているので、湯の熱エネルギの一部は熱交換パイ
プ１６を介して熱電素子モジュール１４の高温側接合部
を直接に加熱し、ゼーベック効果により電力を発生さ
せ、バッテリ４２を充電する。同時に、熱エネルギの一
部は熱交換パイプ１６から蓄熱材８２に伝達され、蓄熱
材を融解するために消費される。融解に消費された熱エ
ネルギは潜熱として蓄熱材８２に蓄えられる。In this case, when hot water of about 70 ° C. or more is supplied from the water heater to the heat exchange pipe 16, the heat exchange pipe 16 is in direct heat transfer contact with the substrate 38 of the thermoelectric element module 14, so A part of the heat energy of the above directly heats the high temperature side joint portion of the thermoelectric element module 14 via the heat exchange pipe 16 to generate electric power by the Seebeck effect and charge the battery 42. At the same time, a part of the heat energy is transferred from the heat exchange pipe 16 to the heat storage material 82 and consumed to melt the heat storage material. The heat energy consumed for melting is stored in the heat storage material 82 as latent heat.
【００２５】給湯が停止すると、熱交換パイプ１６内の
湯の温度は次第に低下し始めると共に、蓄熱材への熱の
供給も停止する。しかしながら、蓄熱材８２は蓄えた潜
熱の放出を開始するので、潜熱の放出が終了するまでの
間は蓄熱材は熱電素子モジュール１４の高温側接合部お
よび熱交換パイプ１６を７０℃の温度に維持する。従っ
て、その間は、熱電素子モジュール１４は最良の効率で
発電を継続し、発生した電力をバッテリ４２に供給し続
ける。When the hot water supply is stopped, the temperature of the hot water in the heat exchange pipe 16 begins to gradually decrease, and the heat supply to the heat storage material is also stopped. However, since the heat storage material 82 starts releasing the stored latent heat, the heat storage material maintains the high temperature side joint portion of the thermoelectric element module 14 and the heat exchange pipe 16 at a temperature of 70 ° C. until the release of the latent heat ends. To do. Therefore, during that time, the thermoelectric element module 14 continues to generate power with the best efficiency and continues to supply the generated power to the battery 42.
【００２６】このように、本発明によれば、相変化蓄熱
材８２があるので、給湯が一時的に中断した場合でも、
熱電素子モジュール１４をできるだけ高い発電効率で暫
時作動させることができ、全体として湯の熱エネルギを
有効に熱電変換することができる。また、給湯が一時的
に停止しても、給湯時に蓄熱した潜熱を利用して暫時発
電が行われるという利点もある。As described above, according to the present invention, since the phase change heat storage material 82 is provided, even when the hot water supply is temporarily interrupted,
The thermoelectric element module 14 can be temporarily operated with the highest power generation efficiency, and the heat energy of the hot water can be effectively thermoelectrically converted as a whole. Further, even if the hot water supply is temporarily stopped, there is an advantage that the latent heat accumulated during the hot water supply is used to temporarily generate power.
【００２７】図５は本発明の原理を太陽熱発電に適用し
たところを示す模式図である。この実施例では、本発明
の熱電発電装置１００は、太陽の輻射エネルギを熱源と
している。太陽の輻射エネルギは反射鏡１０２によって
収束され、黒色に着色されたホットプレート１０４を加
熱する。後述する理由により、反射鏡１０２は、熱電発
電装置１００の典型的稼働条件においてホットプレート
１０４を平均３５０〜４５０℃に加熱するように設計す
るのが好ましい。ホットプレート１０４の熱は蓄熱槽１
０６に伝えられ、伝熱性で電気絶縁性のハウジング１０
８内に収容された相変化蓄熱材１１０に熱を与える。ホ
ットプレート１０４の反対側において、蓄熱槽１０６に
は熱電素子モジュール１１２が伝熱関係で接触させてあ
る。FIG. 5 is a schematic diagram showing the principle of the present invention applied to solar thermal power generation. In this embodiment, the thermoelectric generator 100 of the present invention uses the radiant energy of the sun as a heat source. The radiant energy of the sun is converged by the reflecting mirror 102 and heats the black-colored hot plate 104. For reasons described below, the reflector 102 is preferably designed to heat the hot plate 104 to an average of 350 to 450 ° C. under typical operating conditions of the thermoelectric generator 100. The heat of the hot plate 104 is the heat storage tank 1
06, a heat transfer and electrically insulating housing 10
Heat is applied to the phase change heat storage material 110 housed in the inside 8. On the opposite side of the hot plate 104, a thermoelectric element module 112 is in contact with the heat storage tank 106 in a heat transfer relationship.
【００２８】図６に、熱電素子モジュール１１２の１例
を示す。このモジュール１１２は、高温で良好な熱起電
力特性を呈するＦｅ−Ｓｉ系の半導体材料で形成されて
いると共に、その高温側接合部が３５０〜４５０℃の温
度に耐えられるように設計されている。即ち、熱電素子
モジュール１１２は、ｐ型半導体１１４とｎ型半導体１
１６からなる多数対の熱電素子をアルミナ・セラミック
基板１１８の長手方向に配置してなる。各熱電素子のｐ
型半導体１１４とｎ型半導体１１６とはそれらの上端に
おいてホットプレス法により直接に接合されて高温側接
合部１２０を形成している。このようにホットプレス法
によって接合されているので、高温側接合部１２０は高
温で劣化することがない。前後の熱電素子対のｐ型半導
体１１４とｎ型半導体１１６とは金属端子１２２により
互いに直列に電気接続されている。このようにして、数
十対から１００対の以上の対の熱電素子を直列接続する
ことにより熱電素子モジュール１１２が形成されてい
る。モジュール中の両端の金属端子にはプラス端子１２
４およびマイナス端子１２６が接続され、バッテリまた
は電力消費機器（図示せず）への接続に使用される。セ
ラミック基板１１８はヒートシンクとして作用するもの
で、その裏面に設けた放熱フィン１２８（図５）その他
の冷却手段により冷却される。FIG. 6 shows an example of the thermoelectric element module 112. The module 112 is formed of a Fe-Si based semiconductor material that exhibits good thermoelectromotive force characteristics at high temperatures, and its high temperature side junction is designed to withstand a temperature of 350 to 450 ° C. .. That is, the thermoelectric element module 112 includes the p-type semiconductor 114 and the n-type semiconductor 1.
A large number of pairs of 16 thermoelectric elements are arranged in the longitudinal direction of the alumina / ceramic substrate 118. P of each thermoelectric element
The type semiconductor 114 and the n-type semiconductor 116 are directly joined at their upper ends by a hot pressing method to form the high temperature side joint portion 120. Since the joining is performed by the hot pressing method as described above, the joining portion 120 on the high temperature side does not deteriorate at a high temperature. The p-type semiconductor 114 and the n-type semiconductor 116 of the front and rear thermoelectric element pairs are electrically connected to each other in series by the metal terminal 122. In this way, the thermoelectric element module 112 is formed by connecting several tens to 100 or more pairs of thermoelectric elements in series. Positive terminals 12 for metal terminals on both ends of the module
4 and the negative terminal 126 are connected and used for connection to a battery or a power consuming device (not shown). The ceramic substrate 118 acts as a heat sink, and is cooled by the radiation fins 128 (FIG. 5) and other cooling means provided on the back surface thereof.
【００２９】今日利用可能なＦｅ−Ｓｉ系半導体材料か
らなる熱電素子においては、ゼーベック係数は３００〜
４００℃の温度でピークＴS-MAX（図１参照）を示す。
従って、熱電素子モジュール１１２の理想的作動温度範
囲の上限温度ＴS-H（図１参照）は３５０〜４５０℃で
あると考えられる。従って、本発明の目的を達成するた
めには、ホットプレート１０４が３５０〜４５０℃の温
度に加熱され、この温度において相変化蓄熱材１１０が
蓄熱できることが好ましい。斯る条件を充たす蓄熱材と
しては、ＫＣｌ−ＭｎＣｌ2−ＮａＣｌ混合物、ＫＣｌ
−ＭｇＣｌ2−ＮａＣｌ混合物、ＫＣｌ−ＭｇＣｌ2混合
物、等があり、混合比率を変えることにより融点を調節
することができる。約４００℃に融点を有する混合物と
しては、ＫＣｌ（22mol%）−ＭｇＣｌ2（51mol%）−Ｎ
ａＣｌ（27mol%）が知られており、その融点は３９６℃
であり、潜熱は２９０ＫＪ／Ｋｇ程度である。In the thermoelectric element made of Fe-Si type semiconductor material available today, the Seebeck coefficient is 300 to
It shows a peak T S-MAX (see FIG. 1) at a temperature of 400 ° C.
Therefore, the upper limit temperature T SH (see FIG. 1) of the ideal operating temperature range of the thermoelectric element module 112 is considered to be 350 to 450 ° C. Therefore, in order to achieve the object of the present invention, it is preferable that the hot plate 104 is heated to a temperature of 350 to 450 ° C. and the phase change heat storage material 110 can store heat at this temperature. The heat storage material which satisfies the斯Ru conditions, KCl-MnCl 2 -NaCl mixture, KCl
-MgCl 2 -NaCl mixture, KCl-MgCl 2 mixture, there is equal, it is possible to adjust the melting point by changing the mixing ratio. As a mixture having a melting point of about 400 ° C., KCl (22 mol%)-MgCl 2 (51 mol%)-N
aCl (27mol%) is known and its melting point is 396 ℃
And the latent heat is about 290 KJ / Kg.
【００３０】この太陽熱利用熱電発電装置１００は、そ
れが設置される場所の気象条件に応じ、ホットプレート
１０４が、日中平均、３５０〜４５０℃、例えば４００
℃、の温度に加熱されるように設定することが望まし
い。夜明けに伴い収集された太陽輻射エネルギがホット
プレート１０４を加熱し始めると、蓄熱材１１０は先ず
顕熱を吸収し、昇温する。蓄熱材の温度が上昇するにつ
れて、発電装置１００は発電し始める。蓄熱材の温度が
その融点（例えば、４００℃）に達すると、蓄熱材は潜
熱を吸収し始めると共に、発電装置１００は最大効率で
発電を行う。好天のためホットプレート１０４からの熱
の供給がさらに続くと、潜熱の蓄積が飽和に達して蓄熱
材は融解し、蓄熱材は顕熱を蓄える。In this solar-powered thermoelectric generator 100, the hot plate 104 has an average daytime temperature of 350 to 450 ° C., for example, 400 depending on the weather conditions of the place where it is installed.
It is desirable to set it so that it is heated to a temperature of ° C. When the solar radiant energy collected with the dawn begins to heat the hot plate 104, the heat storage material 110 first absorbs sensible heat to raise the temperature. As the temperature of the heat storage material rises, the power generation device 100 starts to generate power. When the temperature of the heat storage material reaches its melting point (for example, 400 ° C.), the heat storage material begins to absorb latent heat, and the power generation device 100 performs power generation with maximum efficiency. If the heat supply from the hot plate 104 continues due to fine weather, the accumulation of latent heat reaches saturation, the heat storage material melts, and the heat storage material stores sensible heat.
【００３１】気象が悪化し、ホットプレート１０４の温
度を例えば４００℃に維持できないような曇天になる
と、蓄熱材１１０は潜熱の放出を始め、潜熱の放出が終
了して凝固するまでは、ホットプレート１０４の温度を
４００℃に維持する。従って、その間は、発電装置１０
０は最大効率の発電を継続する。When the weather deteriorates and it becomes cloudy such that the temperature of the hot plate 104 cannot be maintained at 400 ° C., for example, the heat storage material 110 starts releasing latent heat and continues until the latent heat release is completed and solidification occurs. The temperature of 104 is maintained at 400 ° C. Therefore, during that time, the power generation device 10
0 continues to generate power at maximum efficiency.
【００３２】このように、本発明によれば、熱電素子の
熱起電力特性と蓄熱材の相変化温度とを相関させること
により、太陽熱利用発電においては、太陽輻射エネルギ
の量が変動しても最良の発電効率で熱電発電装置を稼働
させることができる。As described above, according to the present invention, by correlating the thermoelectromotive force characteristic of the thermoelectric element with the phase change temperature of the heat storage material, in solar power generation, even if the amount of solar radiant energy varies. The thermoelectric generator can be operated with the best power generation efficiency.
【００３３】以上の実施例の記載では、本発明は給湯機
および太陽熱利用発電に適用されるものとして説明した
が、本発明は斯る応用分野に限定されるものではなく、
熱源の温度が変動する（熱の供給が中断する場合も含
む）ようなあらゆる環境に本発明を適用することができ
る。In the above description of the embodiments, the present invention has been described as being applied to a water heater and solar power generation, but the present invention is not limited to such application fields.
The present invention can be applied to any environment in which the temperature of the heat source fluctuates (including the case where the supply of heat is interrupted).
【００３４】[0034]
【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
熱源の温度が変動するような条件下でも、熱電素子を常
時最大限の発電効率で作動させ、熱電素子が発生する総
電気エネルギを増加させることができる。As described above, according to the present invention,
Even under the condition that the temperature of the heat source fluctuates, the thermoelectric element can always be operated with the maximum power generation efficiency and the total electric energy generated by the thermoelectric element can be increased.
【００３５】従って、太陽熱利用発電においては、太陽
輻射エネルギの量が変動しても最良の発電効率で熱電発
電装置を稼働させることができる。Therefore, in power generation using solar heat, the thermoelectric generator can be operated with the best power generation efficiency even if the amount of solar radiation energy fluctuates.
【００３６】さらに、給湯機のような応用分野において
は、給湯を一時的に中断した場合でも、良好な発電効率
で発電を暫時継続することができる。Further, in an application field such as a water heater, even when the hot water supply is temporarily interrupted, the power generation can be continued with good power generation efficiency for a while.
【図１】図１は、温度に関する熱電素子の熱起電力特性
の変化を示すグラフであり、縦軸はゼーベック係数を表
し、横軸は温度を表す。FIG. 1 is a graph showing changes in thermoelectromotive force characteristics of thermoelectric elements with respect to temperature, where the vertical axis represents the Seebeck coefficient and the horizontal axis represents temperature.
【図２】図２は、本発明の熱電発電装置を給湯用の混合
弁装置に適用した実施例を一部断面図で示す模式図であ
る。FIG. 2 is a schematic view showing a partial cross-sectional view of an embodiment in which the thermoelectric generator of the present invention is applied to a mixing valve device for hot water supply.
【図３】図３は、図２に示した熱電発電装置の蓄熱槽を
取り外したところを示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing a state where a heat storage tank of the thermoelectric generator shown in FIG. 2 is removed.
【図４】図４は、図２に示した発電装置の熱電素子モジ
ュールの部分斜視図である。FIG. 4 is a partial perspective view of a thermoelectric element module of the power generation device shown in FIG.
【図５】図５は、本発明の原理を太陽熱発電に適用した
ところを示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing the principle of the present invention applied to solar thermal power generation.
【図６】図６は、図５に示した発電装置の熱電素子モジ
ュールの斜視図である。FIG. 6 is a perspective view of a thermoelectric element module of the power generation device shown in FIG.
１０、１００：発電装置 １４、１１２：熱電素子モジュール １６、１０４：高温側接合部加熱手段 １８、１２８：低温側接合部冷却手段 ８２、１１０：相変化蓄熱材 10, 100: Power generator 14, 112: Thermoelectric element module 16, 104: High temperature side joint heating means 18, 128: Low temperature side joint cooling means 82, 110: Phase change heat storage material
Claims (1)
熱電素子と、該熱電素子の高温側接合部を加熱する手段
と、該熱電素子の低温側接合部を高温側よりも低温に維
持する手段とを備え、熱電素子の高温側接合部と低温側
接合部との間の温度差によりゼーベック効果を利用して
熱電発電を行うようになった熱電発電装置において：前
記熱電素子は温度に関してピーク的変化を呈する熱起電
力特性を有し、 前記加熱手段と熱電素子の高温側接合部との間には相変
化蓄熱材が少なくとも部分的に介在させてあり、 前記相変化蓄熱材は、熱電素子の熱起電力特性の前記ピ
ークを中心とする所与の温度範囲のほぼ上限を限定する
温度において相変化を生じるべく選ばれていることを特
徴とする熱電発電装置。1. A thermoelectric element having a high temperature side joint portion and a low temperature side joint portion, a means for heating the high temperature side joint portion of the thermoelectric element, and a low temperature side joint portion of the thermoelectric element at a temperature lower than that of the high temperature side. In the thermoelectric power generation device, which is provided with a means for maintaining the temperature and which uses the Seebeck effect to generate thermoelectric power due to the temperature difference between the high temperature side junction and the low temperature side junction of the thermoelectric element: With respect to the thermoelectromotive force characteristics exhibiting a peak change, the phase change heat storage material is at least partially interposed between the heating means and the high temperature side joint of the thermoelectric element, and the phase change heat storage material is , A thermoelectric generator characterized in that it is selected to cause a phase change at a temperature that limits approximately the upper limit of a given temperature range centered on the peak of the thermoelectromotive force characteristic of the thermoelectric element.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3353712A JPH05167104A (en) | 1991-12-18 | 1991-12-18 | Thermoelectric generator with heat accumulating material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3353712A JPH05167104A (en) | 1991-12-18 | 1991-12-18 | Thermoelectric generator with heat accumulating material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05167104A true JPH05167104A (en) | 1993-07-02 |
Family
ID=18432714
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3353712A Pending JPH05167104A (en) | 1991-12-18 | 1991-12-18 | Thermoelectric generator with heat accumulating material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05167104A (en) |
Cited By (10)
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1991
- 1991-12-18 JP JP3353712A patent/JPH05167104A/en active Pending
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