WO2017126264A1 - 熱電発電装置 - Google Patents
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Definitions
- thermoelectric generator that converts thermal energy into electric energy by the Seebeck effect.
- the exhaust heat utilization system of Patent Document 1 includes a bypass passage through which exhaust gas is bypassed, a thermoelectric conversion element attached to the outside of the exhaust pipe, and a first exhaust gas that heats the cooling water through the passage of the exhaust gas.
- the system further includes a second exhaust gas passage provided between the inner peripheral surface of the exhaust pipe and the outer peripheral surface of the bypass passage, and a second valve disposed at the rear end of the bypass passage to open and close the bypass passage.
- the first valve closes the first exhaust gas passage and the second valve opens the bypass passage.
- a small amount of the exhaust gas flows in the second exhaust gas passage, and most of the exhaust gas flows in the bypass passage.
- most of the exhaust gas flows into the bypass passage and bypasses the thermoelectric conversion element.
- the device disclosed in Patent Document 1 is provided with a configuration such as a valve for restricting heat utilization from a high-temperature fluid in order to suppress deterioration of the thermoelectric conversion element.
- a configuration such as a valve for restricting heat utilization from a high-temperature fluid in order to suppress deterioration of the thermoelectric conversion element.
- An object of the present disclosure is to provide a thermoelectric power generator that can achieve both heat recovery performance and power generation performance, and can further suppress deterioration of thermoelectric conversion elements due to heat.
- a thermoelectric power generation device in one embodiment, includes a tube in which a first fluid flows, a power generation module having a thermoelectric conversion element therein, and heat of a second fluid that is higher in temperature than the first fluid.
- a holding member that directly or indirectly contacts one side of the power generation module so as to transfer heat to one side, wherein the tube is directly or indirectly contacted with the other side of the power generation module.
- a heat holding member that holds the tube in a heat transferable state, and a heat transfer path that is sandwiched between the holding member and the tube and has a heat conductivity to transfer heat from the second fluid to the first fluid.
- a member. The heat conducting member is sandwiched between the holding member and the tube upstream of the thermoelectric conversion element in the flow direction of the second fluid.
- thermoelectric power generation device since the heat conducting member forms a heat transfer path upstream of the second fluid flow than the power generation module, before the heat of the second fluid moves to the power generation module via the holding member, Heat can be transferred to the tube via the heat conducting member. Thereby, compared with the case where the heat of the 2nd fluid is first moved to the power generation module, the temperature of the 2nd fluid at the time of heat transfer to the power generation module can be lowered. Thus, by lowering the temperature of the second fluid, it is possible to suppress the temperature of the thermoelectric conversion element from being deteriorated due to heat.
- thermoelectric generator that can achieve both heat recovery performance and power generation performance, and can further suppress deterioration of the thermoelectric conversion element due to heat.
- thermoelectric power generator of 1st Embodiment It is a perspective view which shows a part of thermoelectric power generator of 1st Embodiment. It is a perspective view which shows a thermoelectric generator. It is a top view which shows the thermoelectric power generator seen in the arrow III direction of FIG.
- FIG. 4 is a side view showing the thermoelectric generator as viewed in the direction of arrow IV in FIG. 3. It is the elements on larger scale which show the heat conductive member located in the upstream of a high temperature fluid flow rather than an electric power generation module. It is a graph for demonstrating the relationship between a high temperature fluid flow direction position and temperature in a thermoelectric generator. It is sectional drawing which shows the heat conductive member which concerns on 2nd Embodiment. It is a perspective view which shows a part of thermoelectric generator of 3rd Embodiment. It is the elements on larger scale which showed the heat conductive member and the junction part.
- thermoelectric generator 100 as one form is disclosed in 1st Embodiment. A first embodiment will be described with reference to FIGS.
- the thermoelectric power generation apparatus 100 is an apparatus that can generate heat by converting thermal energy into electric power energy by the Seebeck effect.
- a temperature difference is given between one side and the other side of a power generation module having a thermoelectric conversion element, the thermoelectric power generation apparatus 100 generates power using a phenomenon in which a potential difference occurs and electrons flow.
- a temperature difference is given to both sides of the power generation module using the first fluid having a low temperature and the second fluid having a higher temperature than the first fluid. Any fluid capable of giving a temperature difference can be adopted as the first fluid and the second fluid.
- the first fluid may be referred to as a low-temperature fluid
- the second fluid may be referred to as a high-temperature fluid that is hotter than the low-temperature fluid.
- the thermoelectric generator 100 includes a first passage through which a high-temperature fluid flows, a second passage through which a low-temperature fluid flows, a power generation module 1 provided so that heat can be transferred between the high-temperature fluid on one side and the low-temperature fluid on the other side. And a heat conducting member 6 that promotes heat exchange with the power generation module 1.
- the thermoelectric power generation apparatus 100 further includes a first holding member 3 and a second holding member 4 that enhance the adhesion between the members so as to ensure heat transfer between the low-temperature fluid and the high-temperature fluid and the power generation module 1.
- the first holding member 3 and the second holding member 4 are also referred to as holding members 3 and 4 below.
- the heat conducting member 6 itself is made of a material that can conduct heat.
- the heat conducting member 6 is a member formed of an arbitrary material having heat conductivity.
- a metal such as aluminum or copper, graphite, a resin containing a material having thermal conductivity, or the like can be used.
- the heat conducting performance of the heat conducting member 6 is preferably higher than the heat conducting performance of the power generation module 1.
- the heat conducting member 6 can have an arbitrary shape such as a plate shape, a solid block shape, or a flat rectangular parallelepiped shape. It is preferable that the heat conducting member 6 is sandwiched between the first holding member 3 and the tube 7 and is sandwiched between the second holding member 4 and the tube 7 so as to be in close contact with both of them.
- the heat conducting member 6 preferably has the same volume and outer shape as the power generation module 1. It is preferable that the heat conducting member 6 has the same thickness as the power generation module 1.
- Each power generation module 1 has a thermoelectric conversion element 2.
- a plurality of thermoelectric conversion elements 2 are housed inside a case which is a flat box. As shown in FIG. 1, a plurality of thermoelectric conversion elements 2 are installed in the power generation module 1 side by side in the high-temperature fluid flow direction F ⁇ b> 1.
- the inside of the case is, for example, in a vacuum state or filled with an inert gas. This case is also an airtight case that seals the internal space.
- the case is made of, for example, a stainless material.
- the thermoelectric conversion element 2 is configured by connecting alternately P-type semiconductor elements and N-type semiconductor elements in a mesh pattern.
- a high temperature fluid or a high temperature portion capable of transferring heat with a high temperature fluid is brought into contact with one surface, and a low temperature portion capable of transferring heat with a low temperature fluid or a low temperature fluid is brought into contact with the other surface.
- a temperature difference is generated between one side and the other side of 2 and power is generated by the movement of electrons caused by the potential difference.
- thermoelectric generator 100 one surface of the power generation module 1 located on one side is in contact with the first holding member 3 constituting the high-temperature part, and the other surface is in contact with the tube 7 constituting the low-temperature part.
- One surface of the power generation module 1 located on the other side in the thermoelectric generator 100 is in contact with the tube 7 constituting the low temperature part, and the other surface is in contact with the second holding member 4 constituting the high temperature part.
- the holding members 3 and 4 can each be constituted by a plate-like member.
- the first holding member 3 may be configured to indirectly contact one surface of the power generation module 1 via another member.
- the second holding member 4 may be configured to indirectly contact one surface of the power generation module 1 via another member.
- 1st holding member 3 and 2nd holding member 4 are formed in the shape where both ends can be welded mutually.
- This shape can be formed by casting or bending.
- the first holding member 3 has joint portions 3a located on the distal end side with respect to the curved portion having a substantially right angle
- the second holding member 4 is disposed on the distal side with respect to the curved portion having a substantially right angle. It has the joint part 4a located on both ends.
- the joining portion 3a and the joining portion 4a are overlapped to form an overlapping portion extending in a direction parallel to the flow direction F2 of the low-temperature fluid flowing in the pipe 7.
- the overlapping portions are welded to each other by, for example, seam welding or laser welding. In this way, the tube 7 is held between the two power generation modules 1 and the two heat conducting members 6 by the compressive force applied from the first holding member 3 and the second holding member 4.
- the compression force is a force acting in the direction indicated by the white arrow in FIG.
- the two heat conducting members 6 are held so as to sandwich the pipe 7 upstream of the two power generation modules 1 in the flow direction F1 of the high-temperature fluid.
- the two heat conducting members 6 are provided in the uppermost stream in the entire high-temperature fluid flow in which heat transfer is performed from the high-temperature fluid toward the low-temperature fluid.
- Each heat conducting member 6 is provided in the uppermost stream in a range where heat transfer is performed between the first passage and the second passage.
- Each heat conducting member 6 constitutes a heat transfer path connecting the first passage and the second passage in the uppermost stream of the high-temperature fluid flow.
- the heat conducting member 6 has the same length as that of the power generation module 1 in the flow direction F2, and is provided so as to exist upstream of the high-temperature fluid flow with respect to the location where the thermoelectric conversion element 2 exists in the flow direction F2.
- the heat conducting member 6 is held by the aforementioned compressive force, and does not have a structure that is individually fixed to the tube 7, the first holding member 3, and the second holding member 4. That is, the heat conducting member 6 can be displaced in the high-temperature fluid flow direction F ⁇ b> 1 with respect to the tube 7, the first holding member 3, and the second holding member 4 according to the expansion and contraction of each member. Therefore, even if each member expands or contracts due to a temperature difference caused by the high temperature fluid and the low temperature fluid, the heat conducting member 6 can be displaced, so that stress due to distortion of each member can be reduced or the thermal expansion between the members can be reduced. Or can absorb the difference.
- the internal space 30 that is a space surrounded by the first holding member 3 and the second holding member 4 is formed by joining the first holding member 3 and the second holding member 4 accompanying the welding. Two power generation modules 1 and a pipe 7 are accommodated in the internal space 30.
- the pipe 7 is made of, for example, stainless steel or aluminum, and has a second passage that is divided into a plurality of internal passages through which a low-temperature fluid flows.
- the first holding member 3 is provided with outer fins 5 on the surface opposite to the power generation module 1.
- the second holding member 4 is provided with outer fins 5 on the surface opposite to the power generation module 1.
- the outer fin 5 is provided in a first passage through which a high-temperature fluid that contacts the outer fin 5 flows.
- the thermoelectric generator 100 includes a tube 7 having a flat front and back outer surface through which a low-temperature fluid flows, and a thermoelectric conversion element 2 in contact with the outer surface of the tube 7 so as to sandwich the tube 7. And two power generation modules 1 having the same.
- the first holding member 3 formed of an iron plate or a stainless steel plate is in contact with the surface located on the opposite side of the tube 7 in one power generation module 1.
- the second holding member 4 formed of an iron plate or a stainless steel plate is in contact with a surface located on the opposite side of the tube 7 in the other power generation module 1.
- An outer fin 5 made of stainless steel or aluminum is joined to the surface of the first holding member 3 on the side opposite to the power generation module 1 by brazing or the like.
- An outer fin 5 made of stainless steel or aluminum is joined to the surface of the second holding member 4 on the side opposite to the power generation module 1 by brazing or the like.
- the outer fin 5 is formed by bending a plate material into a corrugated shape.
- the outer fin 5 has a rigidity characteristic in which the rigidity is weak in the wave traveling direction and the rigidity is increased in the wave overlapping direction.
- the rigidity of the first holding member 3 can be enhanced.
- a gap that hinders heat transfer is less likely to occur between the first holding member 3 and the power generation module 1 or between the second holding member 4 and the power generation module 1.
- a gap that hinders heat transfer is less likely to occur between the first holding member 3 and the heat conducting member 6 or between the second holding member 4 and the heat conducting member 6.
- a heat conducting member such as a graphite sheet or thermally conductive grease may be interposed in the contact portion where this gap may occur.
- the outer fin 5 employs an offset fin provided such that the positions of the fins adjacent to each other in the direction F1 are offset by a predetermined distance in a direction orthogonal to the direction F1.
- the outer fin 5 has a plurality of wave portions. In the plurality of wave portions, the wave traveling direction is the flow direction F2 of the low-temperature fluid, and the wave overlapping direction is the flow direction F1 of the high-temperature fluid.
- the high-temperature fluid easily flows between the waves, and the outer fin 5 can increase the rigidity of the flow direction F1 of the high-temperature fluid.
- the first holding member 3 and the second holding member 4 to which the outer fins 5 are joined can also increase the rigidity in the flow direction F1.
- the 1st holding member 3 and the 2nd holding member 4 have the junction part 3a and the junction part 4a which are mutually approached and welded to the both ends of the flow direction F1.
- a stress that presses the power generation module 1 and the heat conducting member 6 against the pipe 7 is generated by welding the joint 3a and the joint 4a. Therefore, since the rigidity with respect to this stress can be strengthened by the outer fin 5, the adhesion between the members can be ensured.
- the first holding member 3 and the second holding member 4 in the joined state are set to dimensions that include, for example, a length in the flow direction F1 in a range of 130 mm to 200 mm.
- the pipes 7 and the outer fins 5 that are sandwiched and held between the first holding member 3 and the second holding member 4 are set, for example, to dimensions within the range of 85 mm to 155 mm in the length in the flow direction F1.
- the tube 7 is set to have a length of about 160 mm in the flow direction F2.
- the length W in the stacking direction illustrated in FIG. 4 that is, the length between the tips of the outer fins 5 is set to a dimension of about 35 mm.
- the first holding member 3 and the second holding member 4 are pressed in the direction indicated by the white arrow in FIG. 1 so as to increase the portion where the joint 3a and the joint 4a overlap each other during assembly. Yes.
- the joint 3a and the joint 4a are welded to each other by seam welding or laser welding.
- the 1st holding member 3 and the 2nd holding member 4 provide the product which made the stress which pinched
- the power generation module 1 and the heat conducting member 6 are in close contact with both the first holding member 3, the second holding member 4, and the pipe 7.
- This applied pressure acts between the tube 7 and the power generation module 1, between the power generation module 1 and the first holding member 3 and the second holding member 4, and forms a contact portion between these members.
- the applied pressure acts between the tube 7 and the heat conducting member 6, and between the heat conducting member 6, the first holding member 3 and the second holding member 4, and forms a contact portion between these members.
- the welding of the joint 3a and the joint 4a is provided by seam welding or laser welding that forms a weld that extends along the direction in which the low-temperature fluid flows. According to this, the joint part 3a and the joint part 4a can be firmly welded. Furthermore, you may form a welding part in the front end surface 3b of the junction part 3a.
- the thermoelectric generator 100 includes an outer fin 5, a first holding member 3, a power generation module 1 and a heat conduction member 6, a tube 7, a power generation module 1 and a heat conduction member 6, a second holding member from the upper side to the lower side in FIG. 1. 4 and a laminated body in which the outer fins 5 are arranged.
- the cold fluid flows in a direction orthogonal to the hot fluid as shown in FIGS.
- the outer fin 5 is easy to expand and contract in the direction extending in a wavy shape and has low rigidity, and is hard to expand and contract in the direction orthogonal to this direction and has high rigidity.
- the outer fin 5 is set to increase the rigidity in the flow direction F1 of the high-temperature fluid and decrease the rigidity in the direction orthogonal to the direction F1.
- the first holding member 3 and the second holding member 4 are bent outward from the end of the power generation module 1 and elastically deformed. For this reason, the power generation module 1, the heat conduction member 6, the reaction force that the elastically deformed first holding member 3 and the second holding member 4 try to return to the original while maintaining the contact portion at the end of the power generation module 1, Adhesion of the first holding member 3, the second holding member 4 and the tube 7 can be ensured.
- the thermal communication member 8 can reduce the thermal resistance between the members, and an efficient heat transfer between the high temperature fluid and the low temperature fluid via the heat conducting member 6 can be realized.
- Graphite sheet has a very high thermal conductivity.
- a graphite sheet having a thermal conductivity twice or more that of copper or aluminum is a thin and flexible sheet, and is easily deformed and processed.
- the graphite sheet can be produced by pyrolyzing a polymer film to graphitize it.
- the graphite sheet has a high orientation with a structure close to a single crystal.
- the thermal communication member 8 is a member that is easily deformed by an external force and has a lower hardness than the heat conducting member 6, the tube 7, the first holding member 3, and the second holding member 4. According to this configuration, since the thermal communication member 8 can be deformed according to the expansion and contraction of each member, the heat conducting member 6 is attached to the tube 7, the first holding member 3, and the second holding member 4. It can be easily displaced. Therefore, even if each member expands or contracts due to a temperature difference caused by the high temperature fluid and the low temperature fluid, the heat conducting member 6 is easily displaced. Therefore, stress due to distortion of each member is reduced, or a difference in thermal expansion between the members. The effect which absorbs can be heightened.
- thermoelectric generator 100 the relationship between the flow direction position of the high-temperature fluid and the temperature of each part will be described with reference to FIG.
- heat transfer between the high temperature fluid and the low temperature fluid is promoted via the heat conducting member 6 upstream of the high temperature fluid flow than the thermoelectric conversion element 2 of the power generation module 1.
- the heat of the high-temperature fluid flowing into the first passage is first transferred to the low-temperature fluid via the heat conducting member 6 and the pipe 7.
- heat dissipation through the heat conducting member 6 is promoted, and the temperature drop of the high-temperature fluid can be promoted.
- the temperature of the high-temperature fluid and the temperature of the element high-temperature end in the range from the upstream end of the heat conducting member 6 to the upstream end of the thermoelectric conversion element 2 are lower than the heat conducting member 6.
- the heat dissipation member 6 decreases at a large rate of change. That is, the temperature decrease rate at the high temperature fluid or the element high temperature end is higher in the range from the upstream end of the heat conducting member 6 to the upstream end of the thermoelectric conversion element 2 than in the range from the upstream end to the downstream end of the thermoelectric conversion element 2. Also grows.
- the temperature indicated by the alternate long and short dash line is the temperature of the high-temperature fluid and the temperature of the element high-temperature end in the thermoelectric generator that does not have the heat conducting member on the upstream side.
- This temperature change decreases toward the downstream, but in the case of this thermoelectric power generation apparatus, heat transfer from the high temperature fluid to the low temperature fluid is performed from the upstream end via the power generation module.
- the high-temperature fluid flows into the first passage at a temperature exceeding the heat resistance temperature of the element, the temperature of the high-temperature fluid from the upstream end to the downstream end of the power generation module and the temperature of the element high-temperature end are higher than in the case of the thermoelectric generator 100. And the temperature may exceed the heat resistance temperature of the device.
- thermoelectric generator 100 before the heat of the high-temperature fluid moves to the power generation module 1, heat transfer is promoted by the heat conducting member 6, and the temperature of the high-temperature fluid and the temperature of the element high-temperature end can be lowered. . Even when the element temperature exceeds the heat resistance temperature at the time when the heat transfer through the heat conducting member 6 is performed, the element temperature is lower at the leading position of the thermoelectric conversion element 2, that is, at the downstream area than the upstream end as described above. The temperature can be controlled to be lower than the heat resistant temperature.
- the thermoelectric power generation apparatus 100 includes a pipe 7 in which a first fluid flows, a power generation module 1 having a thermoelectric conversion element 2 therein, and heat generated by a second fluid that is higher in temperature than the first fluid. And a holding member that is in direct or indirect contact with one side of the power generation module so as to transfer heat.
- the holding member holds the power generation module 1 and the pipe 7 in a state in which heat transfer is possible so that the pipe 7 directly or indirectly contacts the other side of the power generation module 1.
- thermoelectric generator 100 includes a heat conductive member 6 that has a heat conductivity and constitutes a heat transfer path that is sandwiched between the holding member and the tube 7 and moves heat from the second fluid to the first fluid.
- the heat conducting member 6 is sandwiched between the holding member and the pipe 7 upstream of the thermoelectric conversion element 2 in the flow direction of the second fluid.
- the heat conducting member 6 forms a heat transfer path upstream of the second fluid flow with respect to the power generation module 1.
- the heat of the second fluid can be transferred to the pipe 7 via the heat conducting member 6 before moving to the power generation module 1 via the holding member. That is, it contributes to increasing the heat recovery to the first fluid upstream of the second fluid flow and lowering the temperature of the second fluid below the temperature leading to component deterioration.
- the heat transfer from the second fluid to the power generation module 1 is greater.
- the temperature of the second fluid can be lowered. By lowering the temperature of the second fluid, it is possible to avoid a situation where the temperature of the thermoelectric conversion element 2 is deteriorated due to heat.
- the heat of the second fluid can be recovered to the first fluid via the heat conducting member 6 on the upstream side.
- the heat recovery performance can be ensured without wastefully discharging the heat of the second fluid.
- the amount of heat recovery through the heat conducting member 6 on the upstream side is set appropriately, the temperature difference between the one side portion and the other side portion of the power generation module 1 can be ensured to ensure the power generation performance.
- the thermoelectric power generation apparatus 100 can achieve both heat recovery performance and power generation performance, and can further suppress deterioration of the thermoelectric conversion element 2 due to heat.
- thermoelectric generator 100 does not need to have a valve mechanism for switching the flow path as in the prior art described above, the number of parts and the number of members having operation control can be reduced, and the size and weight of the product can be reduced. It also contributes to mitigation.
- the thermoelectric power generation apparatus 100 provides a holding force for sandwiching the laminated body including the heat conducting member 6, the power generation module 1, and the tube 7.
- This laminated body includes the heat conduction member 6 and the power generation module 1 arranged in order in the flow direction F1 of the second fluid on one side of the tube 7, the tube 7, and the heat conduction member 6 arranged in order in the direction F1 on the other side of the tube 7.
- the power generation module 1 are stacked. That is, the plurality of power generation modules 1 sandwich the tube 7 by the holding force provided by the first holding member 3 and the second holding member 4.
- the plurality of heat conducting members 6 sandwich the tube 7 by the holding force provided by the first holding member 3 and the second holding member 4.
- thermoelectric power generation apparatus 100 heat recovery from the second fluid can be performed on both sides of the pipe 7 through which the first fluid flows, and power generation by the power generation module 1 can be performed. Therefore, it is possible to provide the thermoelectric power generation apparatus 100 that realizes high-efficiency power generation and heat recovery, and can achieve both high performance and long life, which can also implement thermal protection of the thermoelectric conversion element 2.
- the tube 107 of the second embodiment is different from the tube 7 of the first embodiment in that the heat conducting member 6 is a single member formed integrally.
- the pipe 107 is integrally provided with a heat conducting member 6 protruding from both sides of the pipe 107 at the upstream end in the flow direction F1.
- the heat conducting member 6 in the pipe 107 is positioned upstream of the high-temperature fluid flow with respect to the power generation module 1 held in close contact with both side surfaces of the pipe 107.
- the tube 107 can be formed by, for example, extrusion molding.
- the pipe 107 of the second embodiment since the heat conducting member 6 and the pipe 107 are formed of a single member, it is possible to suppress thermal resistance in a heat transfer path in which heat is transferred from the high temperature fluid to the low temperature fluid. it can. Therefore, since the heat recovery performance via the heat conducting member 6 can be improved, the risk that the thermoelectric conversion element 2 exceeds the heat-resistant temperature can be reduced, which contributes to suppressing deterioration of the thermoelectric conversion element 2 due to heat.
- thermoelectric generator 200 according to a third embodiment will be described with reference to FIGS. 8 and 9.
- the configurations denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment are the same as those in the previous embodiment.
- the configuration, processing, operation, and effects not particularly described in the third embodiment are the same as those in the above-described embodiment. Only differences from the above-described embodiment will be described below.
- each of the first holding member 103 and the second holding member 104 has a plurality of laminated structures made of different materials with respect to each of the first holding member 3 and the second holding member 4. Is different.
- the first holding member 103 has a thermal conductivity higher than that of the base material 103a bonded to the base material 103a and the surface of the part that contacts one side of the power generation module 1 and the surface of the part that contacts the heat conducting member 6.
- the clad material is formed by rolling and joining the surface of one predetermined metal layer and the surface of another metal layer different from each other.
- the clad material is also called a clad metal. Since the clad material is a rolling bond in which metal and metal are bonded together by pressure, the clad material has a characteristic that it is difficult to peel off without using an adhesive or the like on the surface.
- the first holding member 103 includes a plurality of different material layers including the base material 103a and the high thermal conductivity material 9.
- the high thermal conductivity material 9 of the first holding member 103 is in direct contact with the thermal conduction member 6 or indirectly in contact with the thermal conduction member 6 via the thermal communication member 8 and is in contact with the power generation module 1. .
- the heat of the high-temperature fluid moves to the base material 103a through the outer fins 5 or directly, and then moves from the base material 103a to the high thermal conductivity material 9, and through the high thermal conductivity material 9, the heat conduction member 6 and the power generation module. Move to 1.
- the speed at which the heat of the high-temperature fluid flowing outside the first holding member 103 moves to the downstream side in the flow direction F ⁇ b> 1 differs between the state where it is transmitted to the outer base material 103 a and the state where it is transmitted to the high thermal conductivity material 9.
- the heat transferred to the base material 103a is more likely to move from the base material 103a to the high thermal conductivity material 9 than to move downstream in the base material 103a.
- the heat transmitted to the high thermal conductivity material 9 is likely to move downstream in the high thermal conductivity material 9 faster than heat that moves downstream in the base material 103a.
- the heat of the high-temperature fluid transmitted from the first holding member 103 to the upstream side of the first holding member 103 is heated by the high thermal conductivity material 9 at a position close to one side of the power generation module 1.
- the high thermal conductivity material 9 There is a characteristic that it is easily transmitted to the conductive member 6 and the power generation module 1.
- the second holding member 104 is more thermally conductive than the base material 104a bonded to the base material 104a and the surface of the part that contacts one side of the power generation module 1 and the surface of the part that contacts the heat conducting member 6. It is formed of a clad material provided with a high thermal conductivity material 9 having a high rate.
- the second holding member 104 includes a plurality of different material layers including the base material 104 a and the high thermal conductivity material 9.
- the high thermal conductivity material 9 of the second holding member 104 is in direct contact with the thermal conduction member 6 or indirectly in contact with the thermal conduction member 6 through the thermal communication member 8 and is in contact with the power generation module 1. .
- the heat of the high-temperature fluid moves to the base material 104a through the outer fins 5 or directly, and moves from the base material 104a to the high thermal conductivity material 9, and through the high thermal conductivity material 9, the heat conduction member 6 and the power generation module. Move to 1.
- the speed at which the heat of the high-temperature fluid flowing outside the second holding member 104 moves to the downstream side in the flow direction F ⁇ b> 1 differs between the state where it is transmitted to the outer base material 104 a and the state where it is transmitted to the high thermal conductivity material 9. In other words, the heat transferred to the base material 104a is more likely to move from the base material 104a to the high thermal conductivity material 9 than to move downstream in the base material 104a.
- the heat transmitted to the high thermal conductivity material 9 is likely to move downstream in the high thermal conductivity material 9 faster than heat that moves downstream in the base material 104a.
- the heat of the high-temperature fluid transmitted from the second holding member 104 to the upstream side of the second holding member 104 is heated to the downstream side by the high thermal conductive material 9 at a position close to one side of the power generation module 1.
- the base material 103a and the base material 104a are stainless steel materials, and the high thermal conductivity material 9 is a copper material.
- the first holding member 103 does not include the high thermal conductivity material 9 at the joint portion 3a.
- the first holding member 103 may be formed by manufacturing in advance so as not to cover the high thermal conductivity material 9 in the joint portion 3 a, or after coating the high thermal conductivity material 9, the high thermal conductivity material in the joint portion 3 a. You may make it manufacture by giving the cutting which removes 9, etc.
- the first holding member 103 and the second holding member 104 are on the surface of a portion that directly or indirectly contacts one side of the power generation module 1 and the heat conducting member 6.
- the base material 103a and the base material 104a are covered with a material having higher thermal conductivity. According to this configuration, heat transfer to the downstream side can be promoted by the high thermal conductivity material 9 on the upstream side of the high-temperature fluid. Thereby, since the temperature of the holding member can be lowered on the upstream side of the high-temperature fluid, the thermal stress can be reduced and the aging of the holding member can be suppressed.
- Each of the first holding member 103 and the second holding member 104 is made of a base material and a base material joined to the surface of a portion that directly or indirectly contacts one side of the power generation module 1 and the heat conducting member 6. Is formed of a clad material provided with a high thermal conductivity material 9 having a high thermal conductivity. According to this structure, the holding member which produces the above-mentioned specific effect can be manufactured by laminating a predetermined dissimilar material and roll-joining, and contributes to improvement in the productability and productivity of the thermoelectric generator 200. it can.
- thermoelectric generator 100 can be widely applied to devices mounted in addition to automobiles.
- the thermoelectric power generation apparatus 100 is combined with an exhaust heat recovery apparatus that uses a gas generated in an industrial or residential boiler as a high temperature fluid, or a generator that uses exhaust heat from a factory or an incinerator as a high temperature fluid, It can be applied to a power supply device for equipment, a portable generator, and the like.
- thermoelectric generator 100 is not limited to the configuration described in FIG.
- the heat conductive member 6 and the power generation module 1 and the laminate formed by laminating the tube 7 in order in the second fluid flow direction F1 on one side of the tube 7 are integrated by the holding member. It is good also as a structure hold
- thermoelectric power generation apparatus 100 including one power generation unit is disclosed, but the thermoelectric power generation apparatus 100 may be configured by stacking a plurality of power generation units. Also in this case, the high-temperature fluid is configured to flow in contact with the outer fins 5 positioned between the stacked power generation units.
- the heat conducting member 6 of the first embodiment is not configured to be individually fixed to the tube 7, the first holding member 3, and the second holding member 4, but the first holding member 3 or second on the high-temperature fluid side.
- tube 7 by the side of a low temperature fluid may be sufficient. Since the heat conducting member 6 of the second embodiment is integrally formed with the pipe 7, it is an example of a configuration that is fixed to a member on the low temperature fluid side.
- the first holding member 3 is made smaller than the second holding member 4 and is assembled so that the first holding member 3 covers the second holding member 4.
- the second holding member 4 and the second holding member 4 may have the same size and may be combined and assembled alternately.
- the first holding member 3 and the second holding member 4 are welded to seal the internal space 30 surrounded by the first holding member 3 and the second holding member 4 from the outside.
- the first holding member 3 and the second holding member 4 may not be completely sealed, and may be coupled to such an extent that the high-temperature fluid does not adversely affect the power generation module 1 in the internal space 30.
- the first holding member 3 and the second holding member 4 may be coupled by spot welding at multiple points.
- the power generation module 1 of the above-described embodiment is not configured to be covered with a case, and an internal space 30 in which a large number of P-type semiconductor elements and N-type semiconductor elements are surrounded by the first holding member 3 and the second holding member 4.
- the structure may be provided so as to be exposed.
- the case is not an essential component. In this case, it is preferable to seal the internal space 30 with a cover or the like.
- the joint surface between the joint portion 3a of the first holding member 3 and the joint portion 4a of the second holding member 4 is flat, but has a saw-tooth shape that engages with each other and does not return backward.
- corrugated shape which comprises these protrusion shape and labyrinth shape may be sufficient.
- the portion where the first holding member 3 and the second holding member 4 are in contact with the power generation module 1 is a flat surface, but may be a curved shape. Between the 1st holding member 3 and the 2nd holding member 4, and the electric power generation module 1, you may provide inclusions, such as a graphite sheet excellent in heat conduction, and heat conductive grease. Further, the thickness of the graphite sheet may not be uniform.
- the tube 7 and the heat conducting member 6 may be provided so that the upstream ends of the high-temperature fluid flow are aligned, or one of them may be located upstream.
- the flat tube 7 forming the second passage has a plurality of passages therein, but is not limited to such a form.
- the external shape which is not flat shape may be sufficient as the pipe
- each of the first holding member 3 and the outer fin 5 and each of the second holding member 4 and the outer fin 5 may be formed as a single member instead of a configuration in which the separate members are joined together. .
- the low temperature fluid and the high temperature fluid may form counterflows that flow in opposite directions.
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Abstract
熱電発電装置は、内部に第1流体が流れる管(7)と、内部に熱電変換素子(2)を有する発電モジュール(1)と、を備える。熱電発電装置は、第1流体よりも高温の第2流体の熱が発電モジュールの一方側部に熱移動するように発電モジュールの一方側部に接触する保持部材(3、4)を備える。保持部材は、管が発電モジュールの他方側部に接触するように発電モジュールと管とを熱移動可能な状態に保持する。熱電発電装置は、保持部材と管とに挟まれて第2流体から第1流体へ熱が移動する熱移動経路を構成し、第2流体の流れ方向について熱電変換素子よりも上流に設けられる熱伝導部材(6)を備える。
Description
本出願は、2016年1月21日に出願された日本特許出願2016-10072号と2016年11月30日に出願された日本特許出願2016-232201号に基づくもので、ここにそれらの記載内容を援用する。
本開示は、ゼーベック効果により熱エネルギを電力エネルギに変換する熱電発電装置に関する。
特許文献1の排熱活用システムは、排気ガスがバイパスされるバイパス通路と、排気管の外部に付着される熱電変換素子と、内部に排気ガスが通過して冷却水を加熱させる第1排気ガス通路と、第1排気ガス通路を開閉する第1バルブと、を備える。さらに当該システムは、排気管の内周面とバイパス通路の外周面との間に設けられる第2排気ガス通路と、バイパス通路の後端に配されてバイパス通路を開閉する第2バルブと、を備える。
当該システムでは、車両の過負荷走行時に、第1バルブは第1排気ガス通路を閉鎖し、第2バルブはバイパス通路を開放する。排気ガスは、第2排気ガス通路に少量流動し、バイパス通路に大半が流動する。このように排気ガスは、大半がバイパス通路に流動して、熱電変換素子をバイパスするようになる。
前述したように特許文献1に開示の装置は、熱電変換素子の劣化を抑制するために、高温流体からの熱利用を制限するバルブ等の構成を備えている。一方で、高温流体からの熱利用を制限すると、高負荷時の排熱利用が不十分になり、熱回収性能や発電性能が低下する。
本開示の目的は、熱回収性能と発電性能とを両立でき、さらに熱による熱電変換素子の劣化を抑制できる熱電発電装置を提供することである。
本開示における複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。また、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例であって、技術的範囲を限定するものではない。
本開示の一態様において、熱電発電装置は、内部に第1流体が流れる管と、内部に熱電変換素子を有する発電モジュールと、第1流体よりも高温である第2流体の熱が発電モジュールの一方側部に熱移動するように発電モジュールの一方側部に直接または間接的に接触する保持部材であって、管が発電モジュールの他方側部に直接または間接的に接触するように発電モジュールと管とを熱移動可能な状態に保持する保持部材と、熱伝導性を有し保持部材と管とに挟まれて第2流体から第1流体へ熱が移動する熱移動経路を構成する熱伝導部材と、を備える。熱伝導部材は第2流体の流れ方向について熱電変換素子よりも上流で保持部材と管とに挟まれる。
この熱電発電装置によれば、熱伝導部材が発電モジュールよりも第2流体流れの上流で熱移動経路を構成するため、第2流体の熱が保持部材を介して発電モジュールに移動する前に、熱伝導部材を介して管へ熱移動させることができる。これにより、第2流体の熱を最初に発電モジュールへ移動させる場合に比べて、発電モジュールへ熱移動するときの第2流体の温度を低下させることができる。このように第2流体を温度低下させることにより、熱によって熱電変換素子が劣化につながる温度になることを抑えることができる。一方で第2流体の熱は上流側で熱伝導部材を介して第1流体へ回収できるので、第2流体の熱を無駄に排出せず、熱回収性能を確保することに寄与する。また、上流側での熱伝導部材を介した熱回収量を適正に設定することで、発電モジュールの一方側部と他方側部との温度差を確保して発電性能を確保することができる。したがって、熱回収性能と発電性能とを両立でき、さらに熱による熱電変換素子の劣化を抑制できる熱電発電装置を提供できる。
以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
(第1実施形態)
第1実施形態に一形態としての熱電発電装置100を開示する。第1実施形態について図1~図6を参照して説明する。熱電発電装置100は、ゼーベック効果により熱エネルギを電力エネルギに変換して発電することができる装置である。熱電発電装置100は、熱電変換素子を有する発電モジュールにおいて一方側と他方側とに温度差が与えられると、電位差が生じて電子が流れる現象を利用して発電する。熱電発電装置100では、低温の第1流体と第1流体よりも高温である第2流体とを用いて発電モジュールの両側に温度差を与える。第1流体、第2流体には、温度差を与えることが可能な任意の流体を採用することができる。この実施形態では、任意に選択可能な第1流体および第2流体の一例として、第1流体として自動車エンジンの冷却水を用い、第2流体として自動車エンジンから排出される排気ガスを用いる場合について説明する。以下、第1流体を低温流体と称し、第2流体を低温流体よりも高温の高温流体と称することがある。
第1実施形態に一形態としての熱電発電装置100を開示する。第1実施形態について図1~図6を参照して説明する。熱電発電装置100は、ゼーベック効果により熱エネルギを電力エネルギに変換して発電することができる装置である。熱電発電装置100は、熱電変換素子を有する発電モジュールにおいて一方側と他方側とに温度差が与えられると、電位差が生じて電子が流れる現象を利用して発電する。熱電発電装置100では、低温の第1流体と第1流体よりも高温である第2流体とを用いて発電モジュールの両側に温度差を与える。第1流体、第2流体には、温度差を与えることが可能な任意の流体を採用することができる。この実施形態では、任意に選択可能な第1流体および第2流体の一例として、第1流体として自動車エンジンの冷却水を用い、第2流体として自動車エンジンから排出される排気ガスを用いる場合について説明する。以下、第1流体を低温流体と称し、第2流体を低温流体よりも高温の高温流体と称することがある。
熱電発電装置100は、高温流体が流れる第1通路と、低温流体が流れる第2通路と、一方側で高温流体と他方側で低温流体とそれぞれ熱移動可能に設けられる発電モジュール1と、各流体と発電モジュール1との熱交換を促進する熱伝導部材6と、を備える。熱電発電装置100は、さらに低温流体および高温流体と発電モジュール1との熱移動を確保するように各部材同士の密着性を高める第1保持部材3および第2保持部材4を備える。第1保持部材3および第2保持部材4は、以下に保持部材3,4とも称する。
熱伝導部材6は、それ自身が熱伝導可能な材質で構成されている。熱伝導部材6は、熱伝導性を有する任意の材質で形成されている部材である。任意の材質には、例えば、アルミニウム、銅等の金属、グラファイト、熱伝導性を有する材料を含む樹脂等を用いることができる。熱伝導部材6の熱伝導性能は、発電モジュール1の熱伝導性能よりも高いことが好ましい。
熱伝導部材6は、板状、中実のブロック状、扁平な直方体状等の任意の形状とすることができる。熱伝導部材6は、第1保持部材3と管7に挟まれ、また第2保持部材4と管7に挟まれて、これらの両者に密着可能な形状とすることが好ましい。熱伝導部材6は、発電モジュール1と同様の体積、外形形状であることが好ましい。熱伝導部材6は、発電モジュール1と同程度の厚さ寸法であることが好ましい。
各発電モジュール1は熱電変換素子2を有する。熱電変換素子2は、扁平状の箱体であるケースの内部に複数個収納されている。図1に示すように、発電モジュール1の内部には、複数の熱電変換素子2が高温流体の流れ方向F1に並んで設置されている。熱電変換素子2の酸化防止のため、ケースの内部は、例えば、真空状態であったり、不活性ガスが充填されたりする。このケースは内部の空間を封止する気密ケースでもある。ケースは、例えばステンレス材により形成されている。
熱電変換素子2は、交互に配列されるP型半導体素子とN型半導体素子とが網状に連結されて構成されている。発電モジュール1は、一方の面に高温流体や高温流体と熱伝達可能な高温部が接触し、他方の面に低温流体や低温流体と熱伝達可能な低温部が接触することで、熱電変換素子2の一方側と他方側とに温度差が生じ電位差に起因する電子の移動によって発電する。
熱電発電装置100において一方側に位置する発電モジュール1の一方の面は、高温部を構成する第1保持部材3に接触し、他方の面は、低温部を構成する管7に接触する。熱電発電装置100において他方側に位置する発電モジュール1の一方の面は、低温部を構成する管7に接触し、他方の面は、高温部を構成する第2保持部材4に接触する。保持部材3,4は、それぞれ板状の部材によって構成することができる。第1保持部材3は、発電モジュール1の一方の面に、別部材を介して間接的に接触する構成でもよい。第2保持部材4は、発電モジュール1の一方の面に、別部材を介して間接的に接触する構成でもよい。
第1保持部材3と第2保持部材4とは両端同士が互いに溶接可能な形状に形成されている。この形状は、鋳造または折り曲げ加工によって形成することができる。この形状として、第1保持部材3はほぼ直角をなす湾曲部よりも先端側に位置する接合部3aを両端側に有し、第2保持部材4はほぼ直角をなす湾曲部よりも先端側に位置する接合部4aを両端側に有する。接合部3aと接合部4aは、重ね合わされて、管7の中を流れる低温流体の流れ方向F2に平行な方向に延びる重ね合わせ部を形成する。この重ね合わせ部は、例えば、シーム溶接、レーザー溶接によって互いに溶接されている。このようにして管7は、第1保持部材3および第2保持部材4から与えられる圧縮力によって、2つの発電モジュール1と2つの熱伝導部材6とで挟まれて保持されている。圧縮力は、図1において白抜き矢印で示される方向に作用する力である。
2つの熱伝導部材6は、高温流体の流れ方向F1について2つの発電モジュール1よりも上流で管7を挟むようにして保持される。このように2つの熱伝導部材6は、高温流体から低温流体に向けて熱移動が行われる、高温流体流れ全体における最上流に設けられている。各熱伝導部材6は、第1通路と第2通路との間で熱移動が行われる範囲の最上流に設けられている。各熱伝導部材6は、第1通路と第2通路とを繋ぐ伝熱経路を高温流体流れの最上流において構成する。熱伝導部材6は、流れ方向F2について発電モジュール1と同様の長さを有し、流れ方向F2に熱電変換素子2が存在する箇所に対して高温流体流れの上流に存在するように設けられる。
熱伝導部材6は、前述の圧縮力によって保持されており、管7、第1保持部材3、第2保持部材4に対して個別に固定される構造を有していない。つまり、熱伝導部材6は、各部材の膨張や収縮に応じて、管7、第1保持部材3、第2保持部材4に対して高温流体の流れ方向F1に変位可能である。したがって、高温流体および低温流体によりもたらされる温度差によって各部材が膨張や収縮したとしても、熱伝導部材6は変位可能であるので、各部材の歪みによる応力を軽減したり、部材間の熱膨張差を吸収したりすることができる。
この溶接に伴う第1保持部材3と第2保持部材4との接合により、第1保持部材3と第2保持部材4とによって囲まれる空間である内部空間30が形成される。この内部空間30には、2つの発電モジュール1と管7とが収納されている。
管7は、例えばステンレス製、アルミニウム製であり、内部に低温流体が流れる複数の内部通路に区切られる第2通路を有する。第1保持部材3には、発電モジュール1とは反対側の面に外側フィン5が設けられている。第2保持部材4には、発電モジュール1とは反対側の面に外側フィン5が設けられている。外側フィン5は、外側フィン5に接触する高温流体が流れる第1通路に設けられている。
第1実施形態の熱電発電装置100は、内部に低温流体が流れる扁平な表裏の外表面を持つ管7と、管7を挟むように管7の外表面に接触し内部に熱電変換素子2を有する2つの発電モジュール1と、を備える。鉄板またはステンレス板で形成される第1保持部材3は、一方の発電モジュール1において管7とは反対側に位置する表面に接触している。鉄板またはステンレス板で形成される第2保持部材4は、他方の発電モジュール1において管7とは反対側に位置する表面に接触している。第1保持部材3において発電モジュール1とは反対側に位置する表面には、ステンレスまたはアルミニウム製の外側フィン5がろう付け等により接合されている。第2保持部材4において発電モジュール1とは反対側に位置する表面には、ステンレスまたはアルミニウム製の外側フィン5がろう付け等により接合されている。
外側フィン5は板材を波型に折り曲げて形成される。外側フィン5は波の進行方向に剛性が弱く、波の重なり方向に剛性が強くなる剛性上の特性をもつ。このような外側フィン5が第1保持部材3にロウ付けされることにより、第1保持部材3の剛性を強化することができる。この結果、第1保持部材3と発電モジュール1との間や第2保持部材4と発電モジュール1との間に熱伝達を阻害する隙間が生じにくくなる。さらに第1保持部材3と熱伝導部材6との間や第2保持部材4と熱伝導部材6との間に熱伝達を阻害する隙間が生じにくくなる。
この隙間が生じる可能性のある接触部には、グラファイトシート、熱伝導性を有するグリスなどの熱伝導部材を介在させてもよい。このような熱伝導部材を接触部に設けることで、接触部に隙間ができる要因となる多少の高低差または凹凸を吸収でき、熱伝導性を確保することに貢献できる。
外側フィン5には、方向F1に隣り合うフィン同士の位置が方向F1に対して直交する方向に所定距離オフセットするように設けられるオフセットフィンが採用されている。外側フィン5は、複数の波部を有して構成される。この複数の波部は、波の進行方向が低温流体の流れ方向F2であり、波の重なり方向が高温流体の流れ方向F1である。
これによれば、波と波の間を高温流体が流れやすく、さらに外側フィン5は、高温流体の流れ方向F1の剛性を強くすることができる。この結果、外側フィン5が接合された第1保持部材3と第2保持部材4も流れ方向F1の剛性を強くすることができる。一方、第1保持部材3および第2保持部材4は、流れ方向F1の両端に互いに接近して溶接される接合部3aと接合部4aを有している。この接合部3aと接合部4aの溶接により発電モジュール1や熱伝導部材6を管7に押し付ける応力を発生している。したがって、この応力に対する剛性を外側フィン5によって強くすることができるので、各部材同士の密着性を確保することができる。
接合された状態の第1保持部材3と第2保持部材4は、例えば流れ方向F1の長さが130mm~200mmの範囲に含まれる寸法に設定されている。第1保持部材3と第2保持部材4とによって挟まれて保持される管7や外側フィン5は、例えば流れ方向F1の長さが85mm~155mmの範囲に含まれる寸法に設定されている。管7は、例えば流れ方向F2の長さが約160mmの寸法に設定されている。熱電発電装置100は、例えば図4に図示する積層方向の長さW、すなわち外側フィン5の先端間の長さが約35mmの寸法に設定されている。
第1保持部材3と第2保持部材4とは、組み付け時において、接合部3aと接合部4aとが互いに重なる部分を増加させるように、図1の白抜き矢印で示す方向に加圧されている。この加圧された状態で接合部3aと接合部4aは、互いにシーム溶接またはレーザー溶接よって溶接されている。
これにより、第1保持部材3と第2保持部材4は、発電モジュール1を挟みこむ応力を作用させた製品を提供する。さらに発電モジュール1および熱伝導部材6は、第1保持部材3と第2保持部材4と管7との両方に密接している。この加圧力は、管7と発電モジュール1との間、発電モジュール1と第1保持部材3および第2保持部材4との間に作用し、これらの部材間に接触部を形成する。また加圧力は、管7と熱伝導部材6との間、熱伝導部材6と第1保持部材3および第2保持部材4との間に作用し、これらの部材間に接触部を形成する。
接合部3aと接合部4aの溶接は、低温流体が流れる方向に沿って延伸する溶接部を形成するシーム溶接またはレーザー溶接で提供される。これによれば、接合部3aと接合部4aを強固に溶接することができる。さらに接合部3aの先端面3bに溶接部を形成してもよい。
熱電発電装置100は、図1の上方から下方に向けて外側フィン5、第1保持部材3、発電モジュール1および熱伝導部材6、管7、発電モジュール1および熱伝導部材6、第2保持部材4、外側フィン5が並ぶ積層体を構成する。例えば低温流体は、図2~図4に図示するように高温流体と直交する方向に流れる。外側フィン5は波状に延伸する方向に伸び縮みしやすく剛性が弱く、この方向に対して直交する方向には伸び縮みしにくく剛性が高い。
第1保持部材3と第2保持部材4には、図1の白抜き矢印で示す方向の加圧力が作用するため、曲げ応力が加わる。このため、この曲げ応力に耐える剛性を有することが好ましい。したがって、外側フィン5は高温流体の流れ方向F1の剛性を強くし、方向F1に対して直交する方向の剛性を弱くなるように設定されている。
第1保持部材3および第2保持部材4は、発電モジュール1の端部よりも外側で曲げられて弾性変形している。このため、発電モジュール1の端部では接触部を維持しながら、弾性変形した第1保持部材3と第2保持部材4とが元に戻ろうとする反力によって発電モジュール1、熱伝導部材6、第1保持部材3、第2保持部材4および管7の密着性を確保することができる。
図5に示すように、熱伝導部材6と管7との間、熱伝導部材6と第1保持部材3との間、熱伝導部材6と第2保持部材4との間には、熱的連絡部材8として、熱伝導性を有するグリスやグラファイトシートを介在させることが好ましい。この構成によれば、熱的連絡部材8によって部材間における熱抵抗の低減が図れ、熱伝導部材6を介した高温流体と低温流体との間の効率的な熱移動を実現できる。
グラファイトシートは、非常に高い熱伝導率を有する。例えば、グラファイトシートは、銅やアルミニウムの2倍以上の熱伝導率を有するもの採用することが好ましい。グラファイトシートは、薄く、柔軟なシートであり、変形や加工が容易である。グラファイトシートは高分子フィルムを熱分解してグラファイト化することにより、製造することができる。また、グラファイトシートは、単結晶に近い構造を持つ高配向性を有するものであることが好ましい。
また、熱的連絡部材8は、熱伝導部材6、管7、第1保持部材3、第2保持部材4よりも、外力によって変形しやすく硬度が低い部材であることが好ましい。この構成によれば、熱的連絡部材8は、各部材の膨張や収縮に応じて変形可能であるため、管7、第1保持部材3、第2保持部材4に対して熱伝導部材6を変位させやすくできる。したがって、高温流体および低温流体によりもたらされる温度差によって各部材が膨張や収縮したとしても、熱伝導部材6は変位しやすいので、各部材の歪みによる応力を軽減したり、部材間の熱膨張差を吸収したりする効果を高めることができる。
次に熱電発電装置100において、高温流体の流れ方向位置と各部の温度との関係を、図6を参照しながら説明する。熱電発電装置100においては高温流体と低温流体との間の熱移動が、発電モジュール1の熱電変換素子2よりも高温流体流れの上流において熱伝導部材6を介して促進される。これにより、第1通路に流入した高温流体の熱は、最初に熱伝導部材6および管7を介して低温流体へ熱移動する。このように高温流体がさらに下流の熱電変換素子2と熱交換する前に、熱伝導部材6を介した放熱が促進されて、高温流体の温度低下を促進することができる。
図6に実線で図示するように、熱伝導部材6の上流端から熱電変換素子2の上流端までの範囲における高温流体の温度および素子高温端の温度は、熱伝導部材6よりも下流域に比べて熱伝導部材6を介した放熱が活発に行われるため、大きな変化率で低下する。すなわち、高温流体や素子高温端における温度低下率は、熱伝導部材6の上流端から熱電変換素子2の上流端までの範囲の方が、熱電変換素子2の上流端から下流端までの範囲よりも大きくなる。
図6において、一点鎖線で示した温度は、上流側に熱伝導部材を有していない熱電発電装置における、高温流体の温度および素子高温端の温度である。この温度変化は、下流に向かうほど低下するが、この熱電発電装置の場合は、高温流体から低温流体への熱移動が上流端から発電モジュールを介して行われることになる。高温流体が素子の耐熱温度を越える温度で第1通路に流入する場合には、発電モジュールの上流端から下流端にかけての高温流体の温度および素子高温端の温度は、熱電発電装置100の場合よりも高くなり、素子の耐熱温度を超えてしまうことがある。
熱電発電装置100によれば、高温流体の熱が発電モジュール1に移動する前に、熱伝導部材6で熱移動が促進されて、高温流体の温度および素子高温端の温度を低下させることができる。熱伝導部材6を介した熱移動が行われる時点では、素子温度が耐熱温度を超えていても、熱電変換素子2の先頭位置、すなわち上流端よりも下流域では、前述したように素子温度が耐熱温度を下回るように制御することができる。
次に、第1実施形態の熱電発電装置100がもたらす作用効果について説明する。熱電発電装置100は、内部に第1流体が流れる管7と、内部に熱電変換素子2を有する発電モジュール1と、第1流体よりも高温である第2流体の熱が発電モジュールの一方側部に熱移動するように発電モジュールの一方側部に直接または間接的に接触する保持部材とを備える。保持部材は、管7が発電モジュール1の他方側部に直接または間接的に接触するように発電モジュール1と管7とを熱移動可能な状態に保持する。さらに熱電発電装置100は、熱伝導性を有し保持部材と管7とに挟まれて第2流体から第1流体へ熱が移動する熱移動経路を構成する熱伝導部材6を備える。熱伝導部材6は第2流体の流れ方向について熱電変換素子2よりも上流で保持部材と管7とに挟まれる。
この熱電発電装置100によれば、熱伝導部材6が発電モジュール1よりも第2流体流れの上流で熱移動経路を構成する。この構成により、第2流体の熱が保持部材を介して発電モジュール1に移動する前に、熱伝導部材6を介して管7へ熱移動させることができる。つまり、第2流体流れの上流側で第1流体への熱回収を高めるとともに、第2流体の温度を部品劣化につながる温度よりも下げることに寄与する。これにより、第2流体から第1流体への熱移動経路における最上流で、第2流体の熱を発電モジュール1へ移動させる場合に比べて、第2流体から発電モジュール1へ熱移動する際の第2流体の温度を下げることができる。第2流体を温度低下させることにより、熱によって熱電変換素子2が劣化につながる温度になる事態を回避することが可能になる。
一方で第2流体の熱は上流側で熱伝導部材6を介して第1流体へ回収できる。これにより、第2流体の熱を無駄に排出することなく、熱回収性能を確保することができる。また、上流側での熱伝導部材6を介した熱回収量を適正に設定すれば、発電モジュール1の一方側部と他方側部との温度差を確保して発電性能を確保できる。以上より、熱電発電装置100は、熱回収性能と発電性能とを両立でき、さらに熱による熱電変換素子2の劣化を抑制できる。
また、熱電発電装置100は、前述する従来技術のように、流路を切り換えるバルブ機構を備える必要がないので、部品点数や作動制御を有する部材点数を減らすことができ、製品の小型化や重量軽減にも寄与する。
熱電発電装置100は、熱伝導部材6、発電モジュール1および管7を含む積層体を挟む保持力を提供する。この積層体は、管7の一方側で第2流体の流れ方向F1に順に並ぶ熱伝導部材6および発電モジュール1と、管7と、管7の他方側で方向F1に順に並ぶ熱伝導部材6および発電モジュール1と、を積層して形成される。つまり、複数の発電モジュール1は、第1保持部材3と第2保持部材4とで提供される保持力によって管7を挟む。複数の熱伝導部材6は、第1保持部材3と第2保持部材4とで提供される保持力によって管7を挟む。
この熱電発電装置100によれば、第1流体が流れる管7を間においた両側で、第2流体からの熱回収を実施でき、発電モジュール1による発電を実施できる。したがって、高効率の発電および熱回収を実現し、かつ熱電変換素子2の熱的保護も実施できる高性能と耐寿命との両立が図れる熱電発電装置100を提供できる。
(第2実施形態)
第2実施形態について図7を参照して説明する。図7で第1実施形態の図面と同じ符号を付した構成は、前述の実施形態と同様である。第2実施形態で特に説明しない構成、処理、作用、効果については、前述の実施形態と同様である。以下、前述の実施形態と異なる点についてのみ説明する。
第2実施形態について図7を参照して説明する。図7で第1実施形態の図面と同じ符号を付した構成は、前述の実施形態と同様である。第2実施形態で特に説明しない構成、処理、作用、効果については、前述の実施形態と同様である。以下、前述の実施形態と異なる点についてのみ説明する。
第2実施形態の管107は、第1実施形態の管7に対して、熱伝導部材6が一体に形成された一つの部材である点で相違する。管107は、流れ方向F1の上流端部に管107の両面側から突出する熱伝導部材6を一体に備える。管107における熱伝導部材6は、管107において両側面に密接した状態で保持される発電モジュール1よりも高温流体流れの上流に位置する。管107は、例えば、押出成形によって形成することができる。
第2実施形態の管107によれば、熱伝導部材6と管107とが一つの部材で構成されるため、高温流体から低温流体へ熱移動する熱移動経路において、熱抵抗を抑制することができる。したがって、熱伝導部材6を介した熱回収性能を向上できるので、熱電変換素子2が耐熱温度を超えてしまうリスクを低減でき、熱電変換素子2の熱による劣化を抑えることに貢献する。
(第3実施形態)
第3実施形態の熱電発電装置200について図8および図9を参照して説明する。各図で第1実施形態の図面と同じ符号を付した構成は、前述の実施形態と同様である。第3実施形態で特に説明しない構成、処理、作用、効果については、前述の実施形態と同様である。以下、前述の実施形態と異なる点についてのみ説明する。
第3実施形態の熱電発電装置200について図8および図9を参照して説明する。各図で第1実施形態の図面と同じ符号を付した構成は、前述の実施形態と同様である。第3実施形態で特に説明しない構成、処理、作用、効果については、前述の実施形態と同様である。以下、前述の実施形態と異なる点についてのみ説明する。
図に示すように、第1保持部材103、第2保持部材104のそれぞれは、第1保持部材3、第2保持部材4のそれぞれに対して、異なる材質である複数の積層構成である点が相違する。
第1保持部材103は、母材103aと、発電モジュール1の一方側部に接触する部位の表面と熱伝導部材6に接触する部位の表面とにおいて接合された、母材103aよりも熱伝導率が高い高熱伝導性材9とを備えるクラッド材で形成されている。クラッド材は、1つの所定の金属層の表面と異なる他の金属層の表面とを圧力を加えて圧延し、接合することで形成されている。クラッド材は、クラッドメタルとも呼ばれている。クラッド材は、圧力によって金属と金属が原子間接合される圧延接合であるため、表面に接着剤等を用いずとも、剥離しにくい特性を有する。
第1保持部材103は、母材103aと高熱伝導性材9とを含む複数の異材質層を備えて構成されている。第1保持部材103の高熱伝導性材9は、熱伝導部材6に直接接触し、または熱的連絡部材8を介して熱伝導部材6に間接的に接触し、発電モジュール1に接触している。高温流体の熱は、外側フィン5を介してまたは直接、母材103aに移動し、母材103aから高熱伝導性材9に移動し、高熱伝導性材9を介して熱伝導部材6や発電モジュール1に移動する。第1保持部材103の外側を流れる高温流体の熱は、外側の母材103aに伝達した状態と高熱伝導性材9に伝達した状態とでは流れ方向F1の下流側に移動する速度が異なる。換言すれば、母材103aに伝達した熱は、母材103a中を下流側に移動するよりも母材103aから高熱伝導性材9に移動しやすい。高熱伝導性材9に伝達した熱は、母材103a中を下流側に移動する熱よりも速く高熱伝導性材9中を下流側に移動しやすい。これにより、第1保持部材103は、第1保持部材103の上流側に伝達した高温流体の熱は、発電モジュール1の一方側部に近い位置で、高熱伝導性材9によって、下流側の熱伝導部材6や発電モジュール1に伝わりやすいという特性がある。
第2保持部材104は、母材104aと、発電モジュール1の一方側部に接触する部位の表面と熱伝導部材6に接触する部位の表面とにおいてに接合された、母材104aよりも熱伝導率が高い高熱伝導性材9とを備えるクラッド材で形成されている。第2保持部材104は、母材104aと高熱伝導性材9とを含む複数の異材質層を備えて構成されている。第2保持部材104の高熱伝導性材9は、熱伝導部材6に直接接触し、または熱的連絡部材8を介して熱伝導部材6に間接的に接触し、発電モジュール1に接触している。高温流体の熱は、外側フィン5を介してまたは直接、母材104aに移動し、母材104aから高熱伝導性材9に移動し、高熱伝導性材9を介して熱伝導部材6や発電モジュール1に移動する。第2保持部材104の外側を流れる高温流体の熱は、外側の母材104aに伝達した状態と高熱伝導性材9に伝達した状態とでは流れ方向F1の下流側に移動する速度が異なる。換言すれば、母材104aに伝達した熱は、母材104a中を下流側に移動するよりも母材104aから高熱伝導性材9に移動しやすい。高熱伝導性材9に伝達した熱は、母材104a中を下流側に移動する熱よりも速く高熱伝導性材9中を下流側に移動しやすい。これにより、第2保持部材104は、第2保持部材104の上流側に伝達した高温流体の熱は、発電モジュール1の一方側部に近い位置で、高熱伝導性材9によって、下流側の熱伝導部材6や発電モジュール1に伝わりやすいという特性がある。
例えば、母材103a、母材104aはステンレス鋼材であり、高熱伝導性材9は銅材である。第1保持部材103は、接合部3aにおいて高熱伝導性材9を備えていない。この構成によれば、接合部3aと接合部4aは同種の材質である母材103aと母材104aとによって接合されることになるため、異種材質同士の接合を回避することができる。第1保持部材103は、接合部3aにおいてあらかじめ高熱伝導性材9を被覆しないように製造することによって形成されてもよいし、高熱伝導性材9を被覆した後に接合部3aにおいて高熱伝導性材9を取り除く切削加工等を施して製造するようにしてもよい。
第3実施形態の熱電発電装置200によれば、第1保持部材103、第2保持部材104は、発電モジュール1の一方側部および熱伝導部材6に直接または間接的に接触する部位の表面に、母材103a、母材104aよりも熱伝導率が高い材質が被覆されている。この構成によれば、高温流体の上流側において、高熱伝導性材9によって下流側への熱移動を促進することができる。これにより、高温流体の上流側において、保持部材の温度を低下させることができるので、熱応力を低減して保持部材の経年劣化を抑制することができる。
第1保持部材103、第2保持部材104のそれぞれは、母材と、発電モジュール1の一方側部および熱伝導部材6に直接または間接的に接触する部位の表面に接合された、母材よりも熱伝導率が高い高熱伝導性材9とを備えるクラッド材で形成されている。この構成によれば、所定の異材質を積層して圧延接合することにより、前述の特有の効果を奏する保持部材を製造することができ、熱電発電装置200の製品性向上および生産性向上に貢献できる。
(他の実施形態)
この明細書の開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品、要素の組み合わせに限定されず、種々変形して実施することが可能である。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品、要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品、要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示される技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。
この明細書の開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品、要素の組み合わせに限定されず、種々変形して実施することが可能である。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品、要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品、要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示される技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。
前述する熱電発電装置100は、自動車以外に搭載される機器にも幅広く適用することができる。例えば、熱電発電装置100は、工業用や住宅用のボイラにおいて発生するガスを高温流体として用いる排熱回収装置と組み合わせたり、工場や焼却炉等の排熱を高温流体として利用する発電機、電気機器の電源装置、携帯型発電機等に適用したりすることができる。
熱電発電装置100は、図1に記載した構成に限定されるものではない。例えば、熱電発電装置100は、管7の一方側で第2流体の流れ方向F1に順に並ぶ熱伝導部材6および発電モジュール1と管7とを積層して形成される積層体を保持部材によって一体に保持する構成としてもよい。つまり、熱電発電装置100は、管7の片方側でのみ、熱伝導部材6および発電モジュール1を管7と一体に保持する形態としてもよい。
前述の実施形態では、1つの発電ユニットからなる熱電発電装置100を開示しているが、熱電発電装置100は発電ユニットを複数積層して構成してもよい。この場合においても高温流体が、積層された発電ユニット相互間に位置する外側フィン5に接して流れるように構成される。
第1実施形態の熱伝導部材6は、管7、第1保持部材3、第2保持部材4に対して個別に固定される構成ではないが、高温流体側の第1保持部材3または第2保持部材4と、低温流体側の管7と、のいずれかに固定される構成でもよい。第2実施形態の熱伝導部材6は、管7に一体に形成されているため、低温流体側の部材に固定されている構成の一例である。
前述の実施形態においては、第1保持部材3を第2保持部材4よりも小さくして、第1保持部材3を第2保持部材4に被せるようにして組み付けているが、第1保持部材3と第2保持部材4とを同じ大きさにして互い違いに組み合わせて組み付けるようにしてもよい。
前述の実施形態においては、第1保持部材3と第2保持部材4とを溶接して、第1保持部材3と第2保持部材4とで囲まれた内部空間30を外部から密封している。しかしながら、第1保持部材3と第2保持部材4とを完全に密封せず、高温流体が内部空間30の発電モジュール1に悪影響を及ぼさない程度に結合するようにしてもよい。例えば、第1保持部材3と第2保持部材4とを多数点のスポット溶接で結合してもよい。
前述の実施形態の発電モジュール1は、ケースによって覆われる構成ではなく、多数のP型半導体素子とN型半導体素子とが第1保持部材3と第2保持部材4とで囲まれた内部空間30に露出して設けられる構成でもよい。熱電発電装置100においてケースは必須の構成要素ではない。この場合は、内部空間30をカバー等で密封することが好ましい。
前述の実施形態において、第1保持部材3の接合部3aと第2保持部材4の接合部4aとの接合面は平坦なものであるが、接合面に、互いに係合して後戻りしない鋸歯状の突起形状やラビリンス形状を構成する凹凸形状を形成する構成でもよい。
前述の実施形態において、第1保持部材3および第2保持部材4と発電モジュール1とが接する部分は平面としているが、湾曲形状としてもよい。第1保持部材3および第2保持部材4と発電モジュール1との間に熱伝導に優れたグラファイトシート、熱伝導性グリス等の介在物を設けてもよい。また、グラファイトシートの厚さは均一でなくてもよい。
前述の実施形態において管7と熱伝導部材6とは、高温流体流れの上流端が揃うように設けられる構成でもよいし、いずれかの方が上流に位置する構成でもよい。
前述の実施形態では、第2通路を形成する扁平状の管7は、内部に複数の通路を有するものであるが、このような形態に限定されない。また管7は、扁平状でない外形形状でもよいし、内部にフィンを備える形態でもよい。
前述の実施形態において、第1保持部材3と外側フィン5、第2保持部材4と外側フィン5のそれぞれを、別部材同士を一体に接合する構成ではなく、一つの部材として形成してもよい。
前述の実施形態において、低温流体と高温流体は、互いに逆向きに流れる対向流を形成してもよい。
Claims (8)
- 内部に第1流体が流れる管(7)と、
内部に熱電変換素子(2)を有する発電モジュール(1)と、
前記第1流体よりも高温である第2流体の熱が前記発電モジュールの一方側部に熱移動するように前記発電モジュールの一方側部に直接または間接的に接触する保持部材であって、前記管が前記発電モジュールの他方側部に直接または間接的に接触するように前記発電モジュールと前記管とを熱移動可能な状態に保持する保持部材(3,4;103,104)と、
熱伝導性を有し前記保持部材と前記管とに挟まれて前記第2流体から前記第1流体へ熱が移動する熱移動経路を構成する熱伝導部材(6)と、
を備え、
前記熱伝導部材は前記第2流体の流れ方向について前記熱電変換素子よりも上流で前記保持部材と前記管とに挟まれる熱電発電装置。 - 前記保持部材は第1保持部材(3;103)と第2保持部材(4;104)とを含んで構成され、
前記第1保持部材と前記第2保持部材は、前記管の一方側において前記第2流体の流れ方向に順に並ぶ前記熱伝導部材および前記発電モジュールと、前記管と、前記管の他方側において前記第2流体の流れ方向に順に並ぶ前記熱伝導部材および前記発電モジュールと、を積層して形成される積層体を挟む保持力を提供する請求項1に記載の熱電発電装置。 - 前記保持部材(103,104)は、前記発電モジュールの前記一方側部に直接または間接的に接触する部位の表面と前記熱伝導部材に直接または間接的に接触する部位の表面とにおいて、母材(103a,104a)よりも熱伝導率が高い材質が被覆されている請求項1または請求項2に記載の熱電発電装置。
- 前記保持部材は、前記母材と、前記発電モジュールの前記一方側部および前記熱伝導部材に直接または間接的に接触する部位の表面に接合された、前記母材よりも熱伝導率が高い高熱伝導性材(9)とを備えるクラッド材で形成されている請求項3に記載の熱電発電装置。
- 前記熱伝導部材はグラファイトシートを介して前記保持部材に接触している請求項1から4のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
- 前記熱伝導部材は熱伝導性を有するグリスを介して前記保持部材に接触している請求項1から4のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
- 前記熱伝導部材はグラファイトシートを介して前記保持部材および前記管に接触している請求項1から4のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
- 前記熱伝導部材と前記管は、一体に形成された一つの部材である請求項1から6のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
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