CN110612612A - 热电发电装置 - Google Patents
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Abstract
具备：具有受热面(2A)的受热板(2)；第一导热部件(5A)，其配置于与受热面(2A)相反的一侧的面，对由受热板(2)接受到的热量进行导热；热电发电模块(4)，其配置于导热部件(5A)的与配置受热板(2)的面相反的一侧的面；第二导热部件(5)，其配置于热电发电模块(4)的与配置第一导热部件(5A)的面相反的一侧的面；冷却板(3)，其配置于热电发电模块(4)的与配置导热部件(5)的面相反的一侧的面；导热部件(5A)的外周的至少一部分进入配置于热电发电模块(4)的外周的一对P型热电元件以及N型热电元件所对应的区域的内侧。
Description
技术领域
本发明涉及热电发电装置。
背景技术
以往，已知有在受热板与冷却板之间夹装热电发电模块而构成的热电发电装置(例如参照专利文献1)。
在这种热电发电装置中，利用受热板接受辐射热，在冷却板中使冷却水循环，从而使受热板以及冷却板之间产生温度差，热电发电模块利用该温度差进行发电。
这里，以往的受热板由铁、铝制的矩形板状体构成，在受热面的相反侧设置碳片等导热部件，使热电发电模块紧贴于导热部件。由此，由受热板接受到的热量经由导热部件传递到热电发电模块。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016－9787号公报
发明内容
发明将要解决的课题
然而，接受到辐射热的受热板的受热面为高温，其背面比受热面的温度低，从而在受热面凸起的方向上产生翘曲。
由于该受热板的翘曲，存在如下课题：施加于导热部件的端部的压缩应力作用于热电发电模块，热电发电模块的端部、特别是角落部的热电发电元件的焊接接合部会剥离或断线。
本发明的目的在于提供即使受热板被加热、热电发电模块也不会产生损伤的热电发电装置。
用于解决课题的技术手段
本发明的热电发电装置的特征在于，具备：受热板，其具有受热面；第一导热部件，其配置于与所述受热面相反的一侧的面，对由所述受热板接受到的热量进行导热；
热电发电模块，其配置于所述第一导热部件的与配置所述受热板的面相反的一侧的面；第二导热部件，其配置于所述热电发电模块的与配置所述第一导热部件的面相反的一侧的面；冷却板，其配置于所述第二导热部件的与配置所述热电发电模块的面相反的一侧的面；所述第一导热部件的外周的至少一部分进入配置于所述热电发电模块的外周的一对P型热电元件以及N型热电元件所对应的区域的内侧。
根据本发明，采用第一导热部件的外周的至少一部分进入热电发电模块的一对P型热电元件以及N型热电元件所对应的区域的内侧的形状，由此即使受热板的受热面向凸起方向翘曲，也能够减少向热电发电模块的外周部的压缩应力，因此热电发电模块不会发生损伤。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的热电发电装置的结构的分解立体图。
图2是表示所述实施方式中的热电发电装置的结构的剖视图。
图3是表示所述实施方式中的热电发电模块的结构的分解立体图。
图4是表示所述实施方式中的热电发电模块的结构的主要部分立体图。
图5是表示以往的碳片的形状的立体图。
图6是用于说明以往结构中的受热板的翘曲与作用于热电发电模块的压缩方向的力的示意图与压缩应力分布图。
图7是表示所述实施方式中的碳片的形状的立体图。
图8是用于说明所述实施方式中的受热板的翘曲与作用于热电发电模块的压缩方向的力的示意图与压缩应力分布图。
图9是表示所述实施方式中的热电发电装置的温度循环耐久试验的结果的图表。
图10是表示成为所述实施方式的变形的碳片的形状的立体图。
图11是表示成为所述实施方式的变形的碳片的形状的立体图。
具体实施方式
[1]热电发电装置1的构成
图1中示出热电发电装置1的分解立体图，图2中示出热电发电装置1的剖视图。热电发电装置1具备受热板2、冷却板3、热电发电模块4以及碳片5。热电发电装置1利用受热板2接受辐射热，利用与冷却板3之间的温度差，在热电发电模块4中将热能转换为电能。
受热板2例如由铁、铜、铝制的矩形板状体构成，下表面侧为受热面2A，通过辐射热加热到250℃至280℃左右。如图2所示，在受热板2的与受热面2A相反的一侧的面形成有多个内螺纹孔2B、2C。
冷却板3例如由铝制的矩形厚板板状体构成，如图2所示，在内部形成有供冷却水等冷却液流通的冷却回路3A。若冷却水在冷却回路3A内流通，则冷却板3整体被冷却维持为20℃至40℃左右。
在冷却回路3A连接有冷却水的供给管路3B以及返回管路3C，从供给管路3B供给冷却水，在冷却回路3A中进行冷却板3的冷却之后，从返回管路3C排出。
另外，在冷却板3中，在大致中央五个部位形成有贯通表背面的孔3D，在外周端部四个部位形成有孔3E。
热电发电模块4配置于受热板2以及冷却板3之间，构成为俯视呈矩形形状。如图3所示，热电发电模块4具备高温侧基板4A以及低温侧基板4B。高温侧基板4A以及低温侧基板4B为在聚酰亚胺制的膜的表面形成有电极的结构，使形成有电极面4C、4D(参照图2)的面对置地配置。
如图2以及图4所示，在高温侧基板4A以及低温侧基板4B之间交替地排列有多个P型热电元件4P、N型热电元件4N。这些热电元件4P、4N使高温侧基板4A的电极面4C和低温侧基板4B的电极面4D电导通。高温侧基板4A的电极面4C以及低温侧基板4B的电极面4D和热电元件4P、4N的端面通过焊接而接合。
如图3所示，在高温侧基板4A以及低温侧基板4B的中央的五个部位形成有孔4E，在外周端部的四个部位形成有孔4F。在各孔4E的周围设有环状的内部密封框6，在低温侧基板4B的周围设有矩形形状的外周密封框7。内部密封框6以及外周密封框7由铁、铜、铝等金属材料构成。
如图1所示，碳片5分别夹装于受热板2以及高温侧基板4A和冷却板3以及低温侧基板4B之间，作为将由受热板2接受到的热量向高温侧基板4A导热，将低温侧基板4B的热量向冷却板3导热的导热部件发挥功能。
碳片5构成为以外周密封框7的内侧为外周的片材，被维持和与外周密封框7对应的高温侧基板4A非接触的状态。即，与外周密封框7所对应的高温侧基板4A之间的空气层作为隔热层发挥功能。
另外，在碳片5的中央部分，根据内部密封框6的配置形成有五处孔。各孔比环状的内部密封框6的外形大，被维持和与内部密封框6对应的高温侧基板4A非接触的状态，之间的空气层作为隔热层发挥功能。
这种结构的受热板2、冷却板3、热电发电模块4、以及碳片5通过五个第一紧固部件8以及八个第二紧固部件9一体化。
如图2所示，第一紧固部件8具备螺栓8A、接受部件8B以及螺旋弹簧8C。螺栓8A依次插入冷却板3的孔3D、热电发电模块4的孔4E以及碳片5的孔，螺合于受热板2的内螺纹孔2B。
接受部件8B构成为插通于螺栓8A的金属制的筒状体，在一端形成有凸缘。
螺旋弹簧8C插通于接受部件8B的外周部分，在螺栓8A螺合于受热板2的内螺纹孔2B时，由接受部件8B的凸缘在插入方向上压缩，对冷却板3向受热板2侧施力。
第二紧固部件9是在外周端部紧固受热板2以及冷却板3的部件，设为与第一紧固部件8大致相同的结构，具备螺栓9A、接受部件9B、以及螺旋弹簧9C。
[2]现有问题与本实施方式的结构
在前述热电发电装置1中，如图5所示，作为导热层的碳片5与热电发电模块4的热电元件4P、4N的配置位置的平面形状相同，以矩形形状紧贴。
在该状态下，受热板2被加热时，受热板2的受热面2A直接被加热，达到250℃左右，但受热板2的背面侧达到比其低的245℃左右。因此，受热面2A的热膨胀变大，如图6(A)所示，受热板2的受热面2A侧向凸起方向翘曲。翘曲量为0.2mm左右，但在受热板2的背面侧，产生压缩方向的力。
压缩应力经由碳片5作用于热电发电模块4，如图6(B)所示，在热电发电模块4的端部变为最大，热电发电模块4的端部的热电元件4P、4N的焊接接合部分将会剥离。
因此，在本实施方式中，如图7所示，在作为第一导热部件的碳片5A的矩形形状的角落部分形成俯视呈L字状的缺口部51，将碳片5A的外周的一部分设为比配置于热电发电模块4的外周的一对P型热电元件4P以及N型热电元件4N所对应的区域向内侧进入的形状。另外，作为第二导热部件的冷却板3侧的碳片5在角落部分未形成有缺口。
由此，如图8(A)所示，由于碳片5A的缺口部51，碳片5A的外周的至少一部分设为配置于比热电发电模块4的外周的一对P型热电元件4P以及N型热电元件4N所对应的区域向内侧进入的形状。即使受热板2被加热，受热板2产生翘曲，受热板2的背面侧被作用压缩方向的力，如图6(B)所示，作用于热电发电模块4的端部的压缩应力也会减少。因而，热电发电模块4的端部的热电元件4P、4N的焊接接合部分不会发生剥离。
对于使用了以往的碳片5的情况和使用了本实施方式的碳片5A的情况进行了热电发电装置1的温度循环耐久试验，得到图9所示那样的结果。另外，温度循环条件是将受热板2从50℃重复加热至250℃来进行。
在使用了以往的碳片5的情况下(无缺口部)，经过7000次循环时，热电发电装置1的输出降低率约为7％。
输出降低了约7％的原因是，在热电发电模块4的四个角部所在的P型热电元件4P或者N型热电元件4N的焊接接合部分产生剥离，其热电元件部的电阻上升。引发了剥离的热电元件部的电阻值在4个部位与初期值相比都为20倍以上。
与此相对，在使用了本实施方式的碳片5A的情况下(有缺口部)，在经过7000次循环时，热电发电装置1的输出降低率约为1％。
各个P型热电元件4P以及N型热电元件4N的电阻未上升，热电发电模块4的角部的焊接接合部分未产生剥离。认为装置整体的约1％的输出降低的原因是测量的误差等。
因而，可确认到，通过在碳片5A形成缺口部51，使碳片5A的外周为向配置于热电发电模块4的外周的一对P型热电元件4P以及N型热电元件4N所对应的区域的内侧进入的形状，使得热电发电模块4的端部的热电元件4P、4N的焊接接合部分不会发生损伤。
通过如此在碳片5A形成缺口部51，能够减少作用于热电发电模块4的压缩力，因此能够在更大的方向上允许受热板2的凸状翘曲。因而，通过进一步提高受热板2的温度并增大与冷却板3的温度差，能够使热电发电模块4的发电量提高。
[3]实施方式的变形
另外，本发明并不局限于此，也包含以下所示那样的变形。
在所述实施方式中，在碳片5A的角落部形成有俯视L字状的缺口部51，但本发明并不局限于此。
例如如图10所示，也可以是将碳片5B的角落部切角而得的缺口部52。
另外，如图11所示，也可以是仅在碳片5C的角落部的规定范围内以矩形形状切掉而成的缺口部53。
而且，也可以不仅在碳片5A、5B、5C的角落部形成缺口部、也在碳片5A、5B、5C的矩形形状的边的一部分形成缺口部，总之，只要是伴随着受热板2的变形的压缩力所作用的部分，就可以在适当的位置形成缺口部。
除此之外，本发明在实施时的结构等在能够实现本发明的目的的范围内也可以采用其他结构等。
附图标记说明
1：热电发电装置；2：受热板；2A：受热面；2B：内螺纹孔；2C：内螺纹孔；3：冷却板；3A：冷却回路；3B：供给管路；3C：返回管路；3D：孔；3E：孔；4：热电发电模块；4A：高温侧基板；4B：低温侧基板；4C：电极面；4D：电极面；4E：孔；4F：孔；4N：N型热电元件；4N：热电元件；4P：热电元件；4P：P型热电元件；5：碳片；5A：碳片；5B：碳片；5C：碳片；6：内部密封框；7：外周密封框；8：第一紧固部件；8A：螺栓；8B：接受部件；8C：螺旋弹簧；9：第二紧固部件；9A：螺栓；9B：接受部件；9C：螺旋弹簧；51：缺口部；52：缺口部；53：缺口部。
Claims (3)
1.一种热电发电装置，其特征在于，具备：
受热板，其具有受热面；
第一导热部件，其配置于与所述受热面相反的一侧的面，对由所述受热板接受到的热量进行导热；
热电发电模块，其配置于所述第一导热部件的与配置所述受热板的面相反的一侧的面；
第二导热部件，其配置于所述热电发电模块的与配置所述第一导热部件的面相反的一侧的面；
冷却板，其配置于所述第二导热部件的与配置所述热电发电模块的面相反的一侧的面；
所述第一导热部件的外周的至少一部分进入配置于所述热电发电模块的外周的一对P型热电元件以及N型热电元件所对应的区域的内侧。
2.根据权利要求1所述的热电发电装置，其特征在于，
所述热电发电模块俯视呈矩形形状，
所述第一导热部件具备在与所述热电发电模块的角落部相应的位置形成的缺口部。
3.根据权利要求2所述的热电发电装置，其特征在于，
所述第一导热部件的缺口部形成于四个角落部的与至少一对P型热电元件以及N型热电元件对应的区域。
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