CN103797599B - 热电发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热电发电装置，其具备接受热的受热板（10）、维持在比受热板（10）低的温度的冷却板（20）、夹装在受热板（10）和冷却板（20）之间的热电模块（30），其中，在冷却板（20）上设有自热电模块（30）的导线（34、35）和自外部的电力线（54）的连接部位即接线盒（36－39、41），接线盒（36－39、41）被固定于冷却板（20）的金属罩（46）覆盖。

Description

热电发电装置

技术领域

本发明涉及热电发电装置，尤其是涉及以通过接受来自热源的热进行发电的方式构成的热电发电装置。

背景技术

目前，公知有如下的热发电装置，即，通过将由多个热电发电元件构成的热电模块夹装在受热板和冷却板之间，并使来自发动机的废气等接触受热板，从而利用热电模块的塞贝克效应进行发电（例如，参照专利文献1）。

在这样的热电发电装置中，以包围排气管的周围的方式安装有多个热电发电装置，将来自排气管的废气导向受热板。另外，从这样的夹装于受热板和冷却板之间的热电模块引出用于获取电压的导线。

专利文献1：（日本）特开2006－125341号公报

但是，从热电模块引出的导线受到来自被废气加热的排气管的辐射热的影响，会使被覆层溶解。另外，在专利文献1中，热电发电装置被环状部件覆盖，导线被引出到该环状部件的外部并与连接器连接，但也考虑根据装置的构造，将构成连接器或接线盒等的树脂部件配置于环状部件的内部，在这种情况下，树脂部件有可能会由于来自排气管的辐射热而受到损害。

此外，为了保护接线盒不受辐射热的损害，提出有（日本）特开昭61－132245号公报中记载的技术。根据该公报记载的技术，用水冷套覆盖接线盒而进行冷却，使来自热源的辐射热不影响接线盒。但是，存在如下的问题，即，采用这样的水冷套时，需要设置冷却水的循环系统，使规模增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、能够可靠地保护导线的结线周围的树脂部件不受辐射热伤害热电发电装置。

本发明第一方面热电发电装置具备：接受热的受热板、维持在比所述受热板低的温度的冷却板、夹装在所述受热板和所述冷却板之间的热电模块，在所述冷却板上设有自所述热电模块的导线和自外部的电力线的连接部位即接线盒，所述接线盒被固定于所述冷却板的金属罩覆盖。

在本发明第二方面的热电发电装置中，在所述冷却板上设有使所述导线穿过的贯通孔，所述贯通孔被所述接线盒覆盖，在所述冷却板和所述接线盒之间夹装有包围所述贯通孔的O型环。

在本发明第三方面的热电发电装置中，多个所述接线盒靠近所述冷却板的中央而集中配置。

本发明第四方面的热电发电装置，具备：具有所述受热板、所述冷却板及所述热电模块的热电发电单元、覆盖所述热电发电单元的金属制的屏蔽罩、将该热电发电装置固定在规定位置的固定架，所述接线盒具备：设于所述冷却板上的树脂制的衬垫、设于所述衬垫上并将所述导线及所述电力线连接的金属制的端子、覆盖所述衬垫及所述端子的树脂罩，在所述冷却板和所述衬垫之间夹装有第一O型环，在所述衬垫和所述端子之间夹装有第二O型环，在所述衬垫和所述树脂罩之间夹装有第三O型环。

根据本发明第一方面，由于接线盒被金属罩覆盖，故而能够利用金属罩遮蔽基于受热板接受的热的辐射。而且，金属罩固定于冷却板从而维持在与冷却板相同程度的低温，因此，能够有效地遮断向被金属罩覆盖的接线盒的辐射热，能够抑制构成接线盒的特别是树脂制的部件的辐射热造成的损害。

根据本发明第二方面，在接线盒中使用由橡胶等构成的树脂制的O型环，减小辐射热对这样的O型环的影响，由此，能够防止O型环的变形等，能够良好地维持气密性能，不用担心水分通过贯通孔浸入。

根据本发明第三方面，通过将多个接线盒汇集在冷却板的中央，能够使冷却板周围和接线盒之间保持一定距离，能够使从冷却板周围发出的辐射热的影响进一步减小。

根据本发明第四方面，通过设置遮蔽罩，能够防止加热介质绕入热电单元的冷却板侧。此时，虽然将遮蔽罩加热而产生辐射热，但辐射热被所述金属罩遮断，不会影响接线盒，因此，除了能够可靠地保护树脂制的衬垫及树脂罩之外，还能够防止第一～第三O型环的变形，能够可靠地确保气密性。

附图说明

图1是表示将本发明一实施方式的热电发电装置应用于热护理炉的燃烧器燃烧部分的例子的示意图；

图2是将热电发电装置局部分解表示的整体立体图；

图3是对热电发电装置的热电发电单元进行局部剖切表示的整体立体图；

图4是热电发电单元的平面图；

图5是热电发电单元的侧面图；

图6是图4的VI－VI线剖面图；

图7是冷却板的背面图；

图8A是表示热电模块的支承构造的平面图；

图8B是热电模块的主要部分的剖面图；

图9是表示热电发电单元的接线盒周围的剖面图；

图10是表示接线盒周围的分解立体图。

标记说明

1：热电发电装置

4：热电发电单元

5：遮蔽罩

6：固定架

10：受热板

20：冷却板

30：热电模块

34、35：导线

36～39、41：第一～第5接线盒

42：贯通孔

43：衬垫

44：端子

45：树脂罩

46：金属罩

54：电力线

57～59：第一～第三O型环

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的一实施方式进行说明。

图1表示将本实施方式的热电发电装置1应用于热处理炉100的燃烧器燃烧部分的例子。在将在热处理炉100中使用后的气体排出时，将该气体作为燃料在气体燃烧器3中进行燃烧，并将燃烧后的废气通过排气管2进行排气。在排气管2的下方设有燃烧用气体燃烧器3，在气体燃烧器3的火焰到达的位置配置热电发电装置1。通过利用来自气体燃烧器3的火焰进行烧烤，将气体燃烧时的热能通过热电发电装置1转换为电。

需要说明的是，本发明的热电发电装置只要设于暴露在高温下的地方即可，不限于应用于热处理炉100的情况。

〔热电发电装置的整体说明〕

图2是表示热电发电装置1的立体图。

热电发电装置1具备进行热电转换的热电发电单元4、覆盖该热电发电单元4的遮蔽罩5、用于将热电发电单元4固定于排气管2的固定架6，该固定架6被固定于排气管2。

〔热电发电单元的概要〕

热电发电单元4的详细情况在后文中根据图3进行说明，其具备：图中下侧的受热板10、上侧的冷却板20、夹装在受热板10和冷却板20之间的热电模块。受热板10的下面利用气体燃烧器3的火焰从下方进行加热，而冷却板20通过冷却水进行冷却，通过夹装于它们之间的发电模块产生由受热板10和冷却板20的温度差带来的塞贝克效应，进行发电。

〔遮蔽罩的详情〕

遮蔽罩5用于保护热电发电单元4不受从下方绕入的气体燃烧器3的火焰的损害。具体而言，遮蔽罩5由螺栓固定在平面看为矩形板状的受热板10的长边侧的侧面的一对长边侧下部遮蔽板7、7、螺栓固定于长边侧下部遮蔽板7、7的上缘的长边侧上部遮蔽板8，8、螺栓固定于受热板10的短边侧的侧面的一对短边侧遮蔽板9、9构成。各遮蔽板7～9例如为不锈钢制。冷却板20的外径尺寸比受热板10的外径尺寸稍小，在将遮蔽罩5安装于受热板10上时，在遮蔽罩5和冷却板20之间形成空间。

长边侧下部遮蔽板7具有大致达到固定架6的高度尺寸。即，热电发电单元4的长边侧被在固定架6的高度位置上被上下二等分的遮蔽板7、8覆盖。因此，在长边侧下部遮蔽板7的上部侧及长边侧上部遮蔽板8的下部侧，在与固定架6对应的位置设有缝隙7A、8A，即使产生热膨胀也不会与固定架6发生干扰。另外，在一长边侧上部遮蔽板8上，在缝隙8A、8A之间设有开口部8B。开口部8B是为了使自热电发电单元4的电气配线及冷却水用软管通过而设置的。

各遮蔽板7～9具有竖直的侧面部71、81、91，在长边侧的上下的遮蔽板7、8的侧面部71、81及与其接近的短边侧遮蔽板9的侧面部91，竖直的端缘彼此对接，由此将热电发电单元4的侧方全周覆盖。另外，在长边侧上部遮蔽板8及短边侧遮蔽板9的上部形成有在平面方向上弯折的梯形形状的上面部82及三角形状的上面部92，通过使这些上面部82、92的端缘彼此对接，将热电发电单元4的整个上方区域覆盖。

而且，在各遮蔽板7～9中，侧面部71、81、91彼此、上面部82、92彼此未相互接合，在各遮蔽板7～9产生的热伸缩量的不同通过各端缘的边界部分的错开而被吸收。因此，在整个遮蔽罩5上不易产生热应力，不用担心对固定遮蔽板7、9的热电发电单元4的尤其是受热板10带来影响。反之，即使在受热板10上产生了热伸缩，由于随着该热伸缩，各遮蔽板7～9的边界部分错开，故而仍能够使遮蔽罩5上的应力不易产生，抑制从气体燃烧器3产生的火焰对受热板10造成的影响。

〔固定架的详情〕

固定架6具有将截面L形的金属形钢接合成大致井型形状的支承框61。即，支承框61由两端从遮蔽罩5突出的一对平行的支承框架62和在遮蔽罩5内跨越支承框架62之间而架设的一对平行的架设框架63构成。

在支承框架62的两端设有螺栓孔62A，通过插通该螺栓孔62A的螺栓将固定架6固定于排气管2。

在架设框架63的下面，在长度方向上隔开间隔而焊接有一对金属制的固定块64。固定块64是用于相对于冷却板20将支承框61配置于规定高度位置的部件，作为支承框61，通过使架设框架63贯通每一固定块64的螺栓而被固定于冷却板20的上面。

另外，在架设框架63之间架设有金属制的冷却水块65。在冷却水块65上，从外部供给冷却水的供给软管以及返回外部的返回软管通过长边侧上部遮蔽板8的开口部8B而连接，另外，将向设于冷却板20的流入口供给冷却水的供给软管及使冷却水从排出口返回的返回软管连接。即，被温度调整后的来自外部的冷却水经由冷却水块65而被供给至冷却板20的冷却水回路，流过冷却水回路，然后从冷却板20经由冷却水块65返回外部。

〔热电发电单元的详情〕

图3为热电发电单元4的整体立体图，图4为其平面图，图5为其侧面图，图6为图4的VI－VI线剖面图。图7为热电发电单元4的冷却板20的背面图。

在图3～图5中，热电发电单元4具备：铜制且整个面通过黑色化学镀镍进行了表面处理的矩形板状的受热板10、铜制且外形尺寸比受热板10稍小的矩形板状的冷却板20、夹装于受热板10及冷却板20之间的多个热电模块30。

受热板10及冷却板20通过四角的四根螺栓11和与长边侧平行地设置4列及与短边侧平行地设置3列的12根螺栓12而相互紧固连接。因此，在受热板10上设有拧入这些螺栓11、12的螺栓孔13、14，在冷却板20上设有插通螺栓11、12的插通孔（后述）。

〔螺旋弹簧的功能〕

在螺栓11上插通有圆板状的垫圈11A，在垫圈11A和冷却板20的上面之间以插通螺栓11的状态夹装有螺旋弹簧15。另外，在螺栓12上插通垫圈12A，在垫圈12A和冷却板20的上面之间，以插通螺栓12的状态夹装有螺旋弹簧16。螺旋弹簧16的线径及外径分别比螺旋弹簧15大，螺旋弹簧16的弹力也比螺旋弹簧15的弹力大。通过这些螺旋弹簧15、16的弹力，受热板10及冷却板20被向相互接近的方向施力。

在此，在受热板10和冷却板20之间，沿受热板10及冷却板20的周缘夹装有在四角的角部具有圆弧形状的四角形状的O型环17。O型环17包围热电模块30的周围，防止来自外部的水分（湿气）的侵入，保护热电模块30不受水分影响。四角的螺栓11位于O型环17的外侧并接近角落部分，其他12根螺栓12位于O型环17的内侧。

螺栓12位于O型环17的内侧并贯通冷却板20，因此，也如图6所示地对应于该贯通部分而配置有较小的圆形O型环18。所有的O型环18配置于O型环17的内侧，螺栓12的周围由O型环18密封，由此，保护热电模块30不受从贯通部分侵入的水分的影响。作为O型环17、18的材质，可采用耐热性优异的氟类橡胶。

插通了螺栓11的螺旋弹簧15对由于热变形而易分离的受热板10及冷却板20的四角施力，可靠地按压O型环17的角部分，良好地维持O型环17和受热板10及冷却板20的紧密贴合状态。对此，插通螺栓12的螺旋弹簧16对受热板10及冷却板20施力，由此，可靠地夹持热电模块30并且维持受热板10及冷却板20和O型环17的直线部分的紧密贴合状态、及与O型环18的紧密贴合状态而发挥作用。另外，通过这些螺旋弹簧15、16能够可靠地抑制受热板10受热而翘曲等的情况。

〔冷却板的构造〕

如图3、图7所示，在冷却板20的内部设有供冷却水流通的冷却水回路21。省略详细图示，冷却板20为双层构造，在形成一层的板材上，以相对于长边大致平行、且在短边侧的边缘附近折返并曲折的方式设置有一系列的槽，以形成另一层的板材覆盖该槽，由此，在两板材之间、即在冷却板20的内部设有冷却水回路21。两板材在外周部分进行焊接而一体地固定。

在冷却板20的上面，在对应于冷却水回路21的一端的位置立设有流入口22，在对应于另一端的位置立设有排出口23（如图4、图5所示）。在流入口22及排出口23分别连接有自冷却水块65的未图示的供给软管及返回软管。

在表示冷却板20的背面的图7中，在冷却板20的四角设有插通上述的螺栓11的插通孔24，在冷却板20的内部侧的12处设有插通螺栓12的插通孔25。另外，在冷却板20的背面，接近四角的插通孔24的内侧而突设有定位销26，在长边侧的边缘突设有四根定位销27，在短边侧的边缘的中央位置突设有定位销27。以穿过这些定位销26、27的外侧的方式配置O型环17。

而且，在冷却板20的背面侧突设有热电模块30用的多个定位销28。如图8A所示，平面看为大致正方形的板状的热电模块30，其三边的中央部分分别与定位销28抵接并定位。

以上说明的定位销26～28设于冷却板20侧是由于，冷却板20几乎不由热而引起伸缩，能够良好地维持O型环17、18及热电模块30的定位状态。

另外，在冷却板20的外周端面设有未图示的带状金属板，利用该金属板覆盖受热板10和冷却板20之间的间隙，减轻对O型环17的热影响。

〔热电模块〕

在图8A及图8B中，热电模块30为分别由板状的受热面部302及冷却面部303夹持多个热电元件301的构造。即，在热电模块30中，在受热面部302的内侧面配置受热侧电极302A，在冷却面部303的内侧面配置冷却侧电极303A，P型的热电元件301A及N型的热电元件301B的受热面部302侧的端面与受热侧电极302A连接，P型的热电元件301A及N型的热电元件301B的冷却面部303侧的端面与冷却侧电极303A连接。P型的热电元件301A和N型的热电元件301B交替经由受热侧电极302A及冷却侧电极303A电串联，由此，构成热电模块30。

这样的热电模块30将相对于受热板10及冷却板20的长边平行的4列、相对于短边平行的4列共计16个热电模块配置于同一平面内。相对于短边平行的4个热电模块30中，邻接的两个热电模块30彼此接近配置（也可参照图4）。热电模块30经由涂敷于表背的润滑脂与受热板10及冷却板20接触。受热板10为高温时，热电模块30的受热侧电极37A热膨胀。由于受热侧电极37A和冷却侧电极38A的温度差，热电模块30发生翻转。

另外，以相对于短边平行并沿图4中的左侧边缘配置的4个热电模块30（311、312、313、314）为代表进行说明，在邻接的一对热电模块311、312（及313、314）之间，一个热电模块311（313）的负极的连接端子和另一个热电模块312（314）的正极的连接端子通过导线33导通。热电模块312、313之间也相同。在两端的热电模块311、314中，一热电模块314的正极连接有导线34，另一热电模块311的负极连接有导线35。即，热电模块311～314串联电连接。相对于短边平行配置的其他四个热电模块30也相同。

其结果，在图4所示的第一列第四行的热电模块314中，自正极的导线34与设于冷却板20的上面的图中左端的第一接线盒36连接，在第二列第四行的热电模块324中，导线34与第二接线盒37连接，在第三列第一行的热电模块331中，导线34与第三接线盒38连接，在第四列第一行的热电模块341中，导线34与右端的第四接线盒39连接。与之相对，自第一、第二列第一行的热电模块311、321、及第三、第四列第四行的传热模块334、344的负极的各导线35相互导通而成为一根，且与中央的第五接线盒41连接。

〔接线盒的构造〕

以下，基于图9、图10对第一～第四接线盒36～39、41进行说明。

在图9、图10中，第一～第五接线盒36～39、41以第五接线盒41为中心，在与冷却板20的长边平行的中心轴线上汇集于中央，分别具备衬垫43、端子44及树脂罩45。

在冷却板20上，在对应于第一～第五接线盒36～39、41的位置设有贯通孔42，通过该贯通孔42将自热电模块30的导线34、35引出至上面。

在冷却板20的上面，以包围贯通孔42的方式设置有氟树脂制造且为圆筒形状的衬垫43。在衬垫43的上部设置有由具有导电性的不锈钢等的金属制造且为圆柱状的端子44。衬垫43及端子44由具有耐热性的例如聚酰亚胺树脂制造的树脂罩45覆盖。

而且，第一～第五接线盒36～39、41由直接固定于冷却板20的铝等金属罩46覆盖。树脂罩45及金属罩46分别形成为筒状，在外周的局部具有从上部切口的开口45A、46A。另外，各罩45、46的上部侧的开口部分被圆板状的盖47、48堵塞。树脂罩45在通过三根螺栓49将盖47紧固的状态下固定于冷却板20，金属罩46在通过两根螺栓51将盖48紧固的状态下固定于冷却板20。

在端子44的下面，利用螺丝53固定有导线34、35前端的端子52，在端子44的上面，利用螺丝56连接有自外部的电力线54的端子55。电力线54通过各罩45、46的开口45A、46A进行配线。

在此，在冷却板20的上面和衬垫43的下面之间夹装有O型环57，在衬垫43和端子44之间夹装有O型环58，在衬垫43和树脂罩45之间夹装有O型环59。从冷却板20和各罩45、46之间侵入的水分、及从各罩45、46的开口45A、46A侵入的水分被这些O型环57～59密封，防止水分从位于衬垫43内的贯通孔42侵入热电模块30侧。

另外，树脂罩45及O型环57～59被金属罩46覆盖，由此，不会受到来自外部的热影响、尤其是来自遮蔽罩5的辐射热的影响。这样，具有通过防止O型环57～59的变形等能够良好地维持气密性能的效果。

而且，金属罩46通过与冷却板20的上面接触而被冷却，故而不用担心金属罩46自身由于辐射热而过度高温。进一步，通过将以上说明的第一～第五接线盒36～39、41汇集在靠近冷却板20的中央的中心轴线上，保持与遮蔽罩5的一定距离而减少辐射热的影响。

此外，本发明不限于所述的实施方式，在能够实现本发明的目的的范围内的变形、改良等都包含在本发明中。

例如，在上述实施方式中，热电发电装置1应用于热处理炉100，但并不限于此，也可以将本发明的热电发电装置应用于具有热源的任意地方。

在上述实施方式中，在冷却板20上设有冷却水回路21，利用冷却水积极地进行冷却，但只要冷却板相对于受热板维持在低温即可，没有冷却水回路等积极的冷却装置的情况也包含于本发明中。

在上述实施方式中，对第一～第五接线盒36～39、41中使用的第一～第三O型环57～59进行了说明，但根据接线盒的构造，也可以省略第二O型环及第三O型环。即，由于接线盒安装于冷却板，因此，与其构造无关，只要至少在冷却板和端子之间夹装O型环即可。

工业上的可利用性

本发明涉及一种接受来自热源的热而进行发电的热电发电装置，可用于各种工业用设备及由发动机驱动的汽车、工程机械、铁路车辆等。

Claims (4)

1.一种热电发电装置，其特征在于，具备：

接受热的受热板、

维持在比所述受热板低的温度的冷却板、

夹装在所述受热板和所述冷却板之间的热电模块，

在所述冷却板上设有自所述热电模块的导线和自外部的电力线的连接部位即接线盒，

所述接线盒被固定于所述冷却板的金属罩覆盖。

2.如权利要求1所述的热电发电装置，其特征在于，

在所述冷却板上设有使所述导线穿过的贯通孔，

所述贯通孔被所述接线盒覆盖，

在所述冷却板和所述接线盒之间夹装有包围所述贯通孔的O型环。

3.如权利要求1或2所述的热电发电装置，其特征在于，

多个所述接线盒靠近所述冷却板的中央而集中配置。

4.如权利要求3所述的热电发电装置，其特征在于，具备：

具有所述受热板、所述冷却板及所述热电模块的热电发电单元、

覆盖所述热电发电单元的金属制的屏蔽罩、

将该热电发电装置固定在规定位置的固定架，

所述接线盒具备：设于所述冷却板上的树脂制的衬垫、设于所述衬垫上并将所述导线及所述电力线连接的金属制的端子、覆盖所述衬垫及所述端子的树脂罩，

在所述冷却板和所述衬垫之间夹装有第一O型环，

在所述衬垫和所述端子之间夹装有第二O型环，

在所述衬垫和所述树脂罩之间夹装有第三O型环。