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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur thermodielektrischen Leistungserzeugung und insbesondere eine Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung zum Erzeugen elektrischer Leistung durch Wiederholen eines Schritts zum Kühlen und Laden eines Kondensators und eines Schritts zum Beheizen und Entladen des Kondensators.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Es besteht wachsender Bedarf nach Abwärmenutzung als Teil effektiver Nutzung von Energie. Abwärmenutzung umfasst praktisch Verfahren wie Nutzung als Wärme und Umwandlung von Abwärme in elektrischen Strom. Die Umwandlung in elektrischen Strom ermöglicht eine relativ einfache Beförderung und Bevorratung, was sehr praktisch ist.
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Wenn zum Zeitpunkt der Umwandlung von Wärme in elektrischen Strom der Maßstab groß ist und die Temperatur der Abwärme hoch ist, ist es möglich, Dampf beruhend auf der Wärmeenergie zu erzeugen und durch den Dampf eine Turbine anzutreiben, um Leistung zu erzeugen. Wenn der Maßstab aber klein ist oder wenn die Temperatur der Abwärme niedrig ist, ist es schwierig, Wärmeenergie effektiv zu nutzen und ein Großteil der Wärmeenergie wird vergeudet.
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Als Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie hat ein Stromerzeugungselement, das eine Temperaturdifferenz in einem Gegenstand erzeugt und einen Seebeck-Effekt nutzt, traditionell Aufmerksamkeit gefunden und wurde entwickelt. Unter den derzeitigen Umständen wird aber angenommen, dass ein solches Stromerzeugungselement hauptsächlich mit einer relativ großen Temperaturdifferenz (nicht niedriger als 200°C) verwendet wird, und bezüglich der Zuverlässigkeit und Kosten des Stromerzeugungselements gibt es eine Reihe von zu lösenden Problemen.
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Während die Erforschung einer Turbine, die selbst bei einer niedrigen Temperatur, die nicht höher als 200°C ist, angetrieben werden kann, ebenfalls vorangetrieben wurde und es einen Vorschlag für ein Stromerzeugungssystem gibt, das Ammoniak als Medium nutzt, bieten diese nur einen Leistungserzeugungswirkungsgrad, der im Grunde niedriger als die Hochtemperatur-Wärmequelle ist (nicht geringer als 200°C), und werden eigentlich nicht praktisch genutzt.
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Andere Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie umfassen dagegen die thermodielektrische Leistungserzeugung. Thermodielektrische Leistungserzeugung nutzt eine Temperaturabhängigkeit einer Dielektrizitätskonstante eines dielektrischen Materials, das einen Kondensator bildet, um Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Die thermodielektrische Leistungserzeugung wird bei
Masanorie Akasika und Masanori Hara, „Electric Energy Engineering", Asakura Publishing Co., Ltd., 1986, S. 110-111 (Nichtpatentschrift 1) offenbart. Ferner wird ihr Konzept in
J.D. Childress (J.D. Childress), „Application of a Ferroelectric Material in an Energy Conversion Device", Journal of Applied Physics, Vol. 33, Nr. 5, S. 1793-1798, 1962" (Nichtpatentschrift 2) vorgeschlagen. Zudem wird ihr experimenteller Nachweis von
Sanji Fujimoto, „Experimental Research on Thermodielektric Converter", The Journal of the Institute of Electrical Engineers, Vol. 83-12, Nr. 903, S. 2080-2088, 1963" (Nichtpatentschrift 3) vorgetragen.
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Ferner umfassen die zitierten Patentschriften
JP 61-097308 A (Patentschrift 1),
JP 01-133581 A (Patentschrift 2) und
JP 06-165541 A (Patentschrift 3).
14 zeigt einen grundlegenden Schaltkreis einer in Patentschrift 1 offenbarten Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung, und
15 zeigt eine Beziehung zwischen der elektrischen Ladung und der elektrischen Spannung in den Schritten des Ladens, Beheizens und Entladens der Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung.
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Die Technologie zur thermodielektrischen Leistungserzeugung nutzt eine Wärmeeigenschaft eines Dielektrikums, das einen Kondensator bildet. In dem in 14 gezeigten grundlegenden Schaltkreis wird ein Kondensator CA bei einer Temperatur T1 geladen, wie in 15 gezeigt ist. Dann werden ein Schalter SW1 und ein Schalter SW2 auf AUS geschaltet, um den Kondensator CA zu öffnen, und eine Temperatur des Kondensators CA wird auf eine Temperatur T2 angehoben, während eine elektrische Ladung in dem Kondensator CA beibehalten wird.
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Zu diesem Zeitpunkt wird eine Dielektrizitätskonstante des Kondensators CA bei der Temperatur T1 so gewählt, dass sie größer als eine Dielektrizitätskonstante des Kondensators CA bei der Temperatur T2 ist. Dadurch steigt, wie in 15 gezeigt, eine elektrische Spannung (von V1 auf V2). Wenn die Dielektrizitätskonstante des Kondensators CA bei der Temperatur T1 εr1 beträgt, die Dielektrizitätskonstante des Kondensators CA bei der Temperatur T2 εr2 beträgt, eine Ladespannung bei der Temperatur T1 V1 beträgt und eine elektrische Spannung bei der Temperatur T2 V2 beträgt, wird eine Beziehung V2 = V1× (εr1/εr2) hergestellt.
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Wenn ein Betrag der elektrischen Ladung des Kondensators CA unverändert ist und die elektrische Spannung des Kondensators CA vor und nach der Temperaturänderung steigt, wird die elektrische Energie des Kondensators CA verstärkt. Dies wird als thermodielektrische Leistungserzeugung bezeichnet. Eine Änderung der spontanen Polarisation hat in Teilen der Literatur ebenfalls Aufmerksamkeit gefunden, und eine solche Änderung der spontanen Polarisation ist ebenfalls in der hierin verwendeten thermodielektrischen Leistungserzeugung enthalten.
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Bei der thermodielektrischen Leistungserzeugung unter Verwenden des Kondensators CA sind zum Erzeugen von Leistung mit hohem Wirkungsgrad Bedingungen erforderlich, bei denen der Kondensator eine hohe Dielektrizitätskonstante und ein hohes Ladeerhaltungsvermögen aufweist, Änderungen der Dielektrizitätskonstante und der spontanen Polarisation mit der Temperatur groß sind, eine Dauer der Temperaturänderung kurz ist und der Wirkungsgrad für Laden/Entladen gut ist.
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Liste der Anführungen
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Patentschriften
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- Patentschrift 1: JP 61-097308 A
- Patentschrift 2: JP 01-133581 A
- Patentschrift 3: JP 06-165541 A
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Nichtpatentschriften
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- Nichtpatentschrift 1: Masanori Akasaki and Masanori Hara, „Electric Energy Engineering“, Asakura Publishing Co., Ltd., 1986, S. 110-111
- Nichtpatentschrift 2: J. D. Childress (J. D. Childress), „Application of a Ferroelectric Material in an Energy Conversion Device", Journal of Applied Physics Vol. 33, Nr. 5, S. 1793-1798, 1962
- Nichtpatentschrift 3: Sanji Fujimoto, „Experimental Research on Thermodielectric Converter", The Journal of the Institute of Electrical Engineers of Japan Vol. 83-12, Nr. 903, S. 2080-2088, 1963
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Durch die Erfindung zu lösendes Problem
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Gemäß der herkömmlichen Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung gibt es aber die Probleme, dass die Temperaturänderung des Kondensators langsam ist und der Wirkungsgrad für Leistungserzeugung niedrig ist. Ein denkbares Verfahren zum Steigern der Geschwindigkeit der Temperaturänderung des Kondensators ist das Vorsehen eines Kondensators großer Fläche und geringer Höhe, indem mehrere Chip-Kondensatoren parallel verbunden werden, und somit das Vergrößern der Kontaktfläche mit einer Heizeinrichtung und einer Kühleinrichtung.
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Wenn aber einfach die mehreren Chip-Kondensatoren parallel verbunden werden, kommt es vor, dass ein Chip-Kondensator ausfällt und kurzgeschlossen wird, ein elektrischer Strom zu diesem Weg fließt und der Kondensator nicht geladen werden kann. Dies kann möglicherweise zu einem Ausfall einer Leistungserzeugungsfunktion führen. Um die Leistungserzeugung wieder aufzunehmen, ist es ferner erforderlich, den kurzgeschlossenen Chip-Kondensator zu entfernen. Dies erfordert Menschenhand und verlängert die Ausfallzeit.
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Daher besteht eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung mit einer hohen Betriebsquote vorzusehen, die eine kürzere Betriebsausfallzeit aufgrund von Defekt vorsieht und den Betrieb erleichtert.
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Mittel zum Lösen der Probleme
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung ist mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss, mehreren Sicherungen und mehreren Kondensatoren versehen. Die einen Anschlüsse der mehreren Sicherungen sind mit dem ersten Anschluss verbunden, die einen Anschlüsse der mehreren Kondensatoren sind jeweils mit den anderen Anschlüssen der mehreren Sicherungen verbunden, und die anderen Anschlüsse der mehreren Kondensatoren sind mit dem zweiten Anschluss verbunden. Die Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung umfasst weiterhin: eine Kühl/Heizeinrichtung, die ausgelegt ist, um zwischen einem ersten Schritt zum Kühlen der mehreren Kondensatoren und einem zweiten Schritt zum Beheizen der mehreren Kondensatoren zu wechseln; und eine Lade-/Entladeeinrichtung, die mit den ersten und zweiten Anschlüssen verbunden und ausgelegt ist, um die mehreren Kondensatoren zu laden, die gekühlt wurden, und um die mehreren Kondensatoren zu entladen, die beheizt wurden.
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Erfindungsgemäß umfasst jeder der mehreren Kondensatoren mehrere Chip-Kondensatoren, die zwischen dem anderen Anschluss einer entsprechenden der Sicherungen und dem zweiten Anschluss angeschlossen sind.
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Vorzugsweise ist ferner ein biegsamer Träger vorgesehen, auf dem der erste Anschluss, der zweite Anschluss, die mehreren Sicherungen und die mehreren Kondensatoren montiert sind. Jede der mehreren Sicherungen ist eine Chip-Sicherung, und die Chip-Sicherung ist dünner als die Chip-Kondensatoren.
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Die Kühl-/Heizeinrichtung umfasst ferner vorzugsweise: ein Kühlelement, das einer Fläche des biegsamen Trägers zugewandt positioniert ist und bei einer ersten Temperatur gehalten wird; ein Heizelement, das der anderen Fläche des biegsamen Trägers zugewandt positioniert ist und bei einer zweiten Temperatur gehalten wird, die höher als die erste Temperatur ist; und eine Antriebseinheit, die ausgelegt ist, um ein Biegen des biegsamen Trägers hin zu dem Kühlelement zu veranlassen, um die mehreren Kondensatoren zu kühlen, und um ein Biegen des biegsamen Trägers hin zu dem Heizelement zu veranlassen, um die mehreren Kondensatoren zu beheizen.
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Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung ist mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss, mehreren Sicherungen und mehreren Kondensatoren versehen, wobei die einen Anschlüsse der mehreren Sicherungen mit dem ersten Anschluss, die anderen Anschlüsse der mehreren Kondensatoren jeweils mit den anderen Anschlüssen der mehreren Sicherungen verbunden sind und die anderen Anschlüsse der mehreren Kondensatoren mit dem zweiten Anschluss verbunden sind. Da die mehreren Kondensatoren, die parallel zueinander verbunden sind, genutzt werden, ist es daher möglich, jeden Kondensator dünn auszulegen. Dadurch ist es möglich, eine Geschwindigkeit der Temperaturänderung jedes Kondensators zu erhöhen und den Wirkungsgrad zu verbessern.
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Wenn ferner einer der Kondensatoren ausfällt und kurzgeschlossen wird, fließt ferner ein großer elektrischer Strom zu der diesem Kondensator entsprechenden Sicherung, und diese Sicherung wird ausgelöst, und der defekte Kondensator wird elektrisch von den anderen Kondensatoren getrennt. Daher ist es möglich, den Betrieb fortzusetzen und die Betriebsausfallszeit zu reduzieren.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Diagramm, das einen Hauptteil einer Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, veranschaulicht.
- 2 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer in 1 gezeigten Stromerzeugereinrichtung veranschaulicht.
- 3 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer in 2 gezeigten Leiterplatte veranschaulicht.
- 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV von 1.
- 5 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration der in 1 gezeigten Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung veranschaulicht.
- 6 ist eine Schnittansicht der in 1 bis 5 gezeigten Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung bei einem Heizschritt und einem Schritt zur Rückgewinnung elektrischer Energie.
- 7 ist eine Schnittansicht der in 1 bis 5 gezeigten Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung bei einem Kühlschritt und einem Ladeschritt.
- 8 ist ein Diagramm, das einen Hauptteil einer Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
- 9 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration der in 8 gezeigten Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung veranschaulicht.
- 10 ist ein Diagramm, das einen Betrieb zeigt, bei dem ein in 9 gezeigter Chip-Kondensator defekt ist.
- 11 ist ein anderes Diagramm, das einen Betrieb zeigt, bei dem der in 9 gezeigte Chip-Kondensator defekt ist.
- 12 ist ein noch anderes Diagramm, das einen Betrieb zeigt, bei dem der in 9 gezeigte Chip-Kondensator defekt ist.
- 13 ist ein Zeitdiagramm, das einen Betrieb zeigt, bei dem die in 8 bis 12 gezeigte Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung defekt ist.
- 14 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration einer herkömmlichen Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung zeigt.
- 15 ist ein Diagramm, das einen Betrieb der in 14 gezeigten Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung veranschaulicht.
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BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Vor einer Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zunächst eine Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung 1, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, beschrieben (siehe japanische Patentanmeldung Nr. 2010-165940). Wie in 1 bis 4 gezeigt umfasst die Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung 1 eine Stromgeneratoreinrichtung 100, einen Heizkanal 200, der so angeordnet ist, dass er mit einer ersten Wand 111a in Kontakt steht, die an der Stromgeneratoreinrichtung 100 vorgesehen ist, und einen Kühlkanal 300, der so angeordnet ist, dass er mit einer zweiten Wand 111b in Kontakt steht, die an der Stromgeneratoreinrichtung 100 vorgesehen ist.
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Wasser bei etwa 95°C (Heisswasser) wird zum Beispiel als Hochtemperatur-Wärmequelle in den Heizkanal 200 eingeleitet, und Wasser bei etwa 15C° (Kaltwasser) wird als Niedertemperatur-Wärmequelle in den Kühlkanal 300 eingeleitet. Als Hochtemperatur-Wärmequelle können Abgas, Feuchtigkeitsdampf, Wasser hoher Temperatur oder Öl hoher Temperatur von nicht höher als 200°C (Wärmetransportmedium) eingeleitet werden. Ferner kann an Stelle des Heizkanals 200 eine Platte, die durch eine Strahlungswärmequelle, wie etwa Feuer erwärmt wird, verwendet werden. Weiterhin kann an Stelle des Kühlkanals 300 eine Luftkühlplatte, die mit einer Luftkühlrippe verbunden ist, verwendet werden.
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Wie in 2 gezeigt umfasst die Stromgeneratoreinrichtung 100 eine quaderförmige Kammer 110. Die erste Wand 111a der Kammer 110 und die zweite Wand 11b, die der ersten Wand 111a zugewandt ist, sind bei einem vorbestimmten Abstand parallel positioniert, und die erste Wand 111a und die zweite Wand 111b sind in ihrer ebenen Form beide rechteckig.
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Wie vorstehend beschrieben ist der Heizkanal 200 über und in Kontakt mit einer gesamten Außenfläche der ersten Wand 111a angeordnet, und der Kühlkanal 300 ist über und in Kontakt mit einer gesamten Außenfläche der zweiten Wand 111b angeordnet. Daher bestehen sowohl die erste Wand 111a als auch die zweite Wand 111b vorzugsweise aus einem hoch wärmeleitenden Material. Beispiele für das Material umfassen eine Metallplatte, wie etwa oberflächenbehandelter Stahl und Edelstahl.
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Vorzugsweise blockieren vier seitliche Flächen 112a, 112b, 112c und 112d, die die Kammer 110 umgeben, das Eindringen von Wärme in die Kammer 110. Daher wird ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit, die niedriger als die der ersten Wand 111a und der zweiten Wand 111b ist, verwendet. Zum Beispiel wird ein Harz hoher Wärmebeständigkeit, wie etwa Silikonharz, verwendet.
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In der Kammer 110 wird eine biegsame Leiterplatte 101, die biegsam verformt werden kann, so vorgesehen, dass sie einen Innenraum der Kammer 110 in einen ersten Raum 120a an der Seite der ersten Wand 111a und in einen zweiten Raum 120b an der Seite der zweiten Wand 111b unterteilt. Vier Seiten der Leiterplatte 101 sind an den vier seitlichen Flächen 112a, 112b, 112c und 112d, die die Kammer 110 umgeben, befestigt, um die Dichteigenschaft zwischen dem ersten Raum 120a und dem zweiten Raum 120b beizubehalten.
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Wie in 3 gezeigt sind mehrere Chip-Kondensatoren 102, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind, an der Leiterplatte 101 montiert. Die Chip-Kondensatoren 102 bezeichnen wie hierin verwendet so genannte oberflächenmontierte Kondensatoren, bei denen Anschlussabschnitte durch Löten oder dergleichen direkt mit Lötaugen und somit ohne Verwenden von Leitungsanschlüssen mit der Leiterplatte verbunden sind.
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Ferner wird für die Leiterplatte 101 ein biegsamer Träger, der eine Polyimid verwendenden Folie aufweist, deren Dicke etwa 30 µm beträgt, verwendet. Ein biegsamer Träger, der Polyimid verwendet, weist eine sehr kleine Wärmekapazität auf. Bei Beheizen wird daher Wärme von der Hochtemperatur-Wärmequelle effizient zu dem Chip-Kondensator 102 übertragen. Die erforderliche Zeit wird beruhend auf der Wärmekapazität und dem Wärmewiderstand geschätzt. In einem Fall, in dem der Wärmewiderstand der gleiche ist, wird, wenn die Wärmekapazität verdoppelt ist, eine Zeitkonstante zum Veranlassen einer Temperaturänderung ebenfalls verdoppelt, und die Zeit, die zum Veranlassen der gleichen Temperaturänderung erforderlich ist, wird verdoppelt. Dadurch wird der Leistungserzeugungswirkungsgrad auf die Hälfte reduziert. Analog sinkt der Wirkungsgrad auch, wenn der Wärmewiderstand groß ist. Daher ist es vorteilhaft, eine Wärmeübertragung von der Wärmequelle durch eine möglichst große Fläche und unter einer geeigneten mechanischen Spannung zu veranlassen.
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Unter Bezugnahme auf 2 sind unter den vier seitlichen Flächen 1121, 112b, 112c und 112d, die die Kammer 110 umgeben, die seitliche Fläche 112a an der oberen Seite und die seitliche Fläche 112c an der unteren Seite jeweils mit einer ersten Düse 113, die eine Öffnung zu dem ersten Raum 120a ausbildet, und einer zweiten Düse 114, die eine Öffnung zu dem zweiten Raum 120b ausbildet, versehen.
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Die Kammer 110 ist so ausgelegt, dass das Innere der Kammer mit Ausnahme der ersten Düsen 113 und der zweiten Düsen 114 abgedichtet gehalten wird.
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Wie in 4 gezeigt sind die ersten Düsen 113 ferner durch Kanäle mit einer Luftzufuhr-/Luftabfuhrvorrichtung 201 verbunden. Die zweiten Düsen 114 sind durch Kanäle mit einer Luftzufuhr-/Luftabfuhrvorrichtung 301 verbunden. Die Luftzufuhr-/Luftabfuhrvorrichtungen 201 und 301 werden von einer Steuereinrichtung 400 gesteuert. Die Luftzufuhr-/Luftabfuhrvorrichtung 201 wechselt zwischen einem Luftzufuhrbetrieb des Zuführens von Luft in den ersten Raum 120a durch die ersten Düsen 113 und einem Luftabfuhrbetrieb des Abführens von Luft von dem ersten Raum 120a durch die ersten Düsen 113. Die Luftzufuhr-/Luftabfuhrvorrichtung 301 wechselt zwischen einem Luftabfuhrbetrieb des Abführens von Luft aus dem zweiten Raum 120b durch die zweiten Düsen 114 und einem Luftzufuhrbetrieb des Zuführens von Luft in den zweiten Raum 120b durch die zweiten Düsen 114.
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An einer Oberfläche, die dem zweiten Raum 120b der Leiterplatte 101 zugewandt ist, die in der Kammer 110 aufgenommen ist, sind die mehreren Chip-Kondensatoren 102 bei Intervallen angeordnet, die die Biegsamkeit der Leiterplatte 101 nicht beeinträchtigen können. Eine Größe jedes Chip-Kondensators 102 beträgt zum Beispiel 3,2 mm Höhe, 1,6 mm Länge und 1,6 mm Breite.
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Die Chip-Kondensatoren 102 sind vorzugsweise, aber nicht einschränkend, als Chip-Kondensatoren unter Verwenden laminierter Keramik mit einer hohen Energiedichte mit einer großen Temperaturänderung einer Dielektrizitätskonstante ausgelegt und können Chip-Kondensatoren mit ähnlichen Eigenschaften wie bei denen, die ein Polymermaterial verwenden, sein.
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Wie ferner in 3 und 4 gezeigt ist eine Wärmewiderstand reduzierende Lage 102, die die mehreren Chip-Kondensatoren 102 als Ganzes umwandelt, an der Seite der zweiten Wand 111b über den mehreren Chip-Kondensatoren angeordnet. Diese wird vorgesehen, um die Kontaktfläche zwischen den mehreren Chip-Kondensatoren 102 und dem zweiten Wandteil 111b zu vergrößern und die Wärmeübertragung zwischen den Chip-Kondensatoren 102 und dem zweiten Wandteil 111b zu erleichtern.
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Die den Wärmewiderstand reduzierende Lage 103 weist vorzugsweise Eigenschaften auf, die äquivalent zu denen des vorstehend beschriebenen biegsamen Trägers sind. Daher wird eine Folie, auf die wärmeleitendes Fett aufgetragen wurde, um einen Übertragungskoeffizienten zu steigern, und Polyimid verwendet, dessen Dicke etwa 10 µm beträgt, zum Beispiel verwendet.
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Ferner liegt ein Abstand zwischen einer Innenfläche der ersten Wand 111a und der Fläche der Leiterplatte 101 in dem ersten Raum 120a bei etwa 0,1 mm bis 0,2 mm. Zudem liegt ein Abstand zwischen einer Innenfläche der zweiten Wand 111b und einer Fläche der den Wärmewiderstand reduzierenden Lage 103 in dem zweiten Raum 120b auch bei etwa 0,1 mm bis 0,2 mm.
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Während die den Wärmewiderstand reduzierende Lage 103 an den Chip-Kondensatoren 102 befestigt ist, kann sie auch an der zweiten Wand 111b befestigt werden. Wenn die Wärmeübertragung zwischen den Chip-Kondensatoren 102 und der zweiten Wand 111b keine Rolle spielt, ist es ferner nicht erforderlich, die den Wärmewiderstand reduzierende Lage 103 vorzusehen.
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Wie durch eine Grundschaltung in 5 gezeigt ist, sind die mehreren Chip-Kondensatoren 102 parallel miteinander verbunden und werden durch Schalten eines Schalters SW1 und eines Schalters SW2 zwischen einem Ladeschritt (SW1 = AUS/SW2 = EIN), einem offenen Zustand (SW1 = AUS/SW2 = AUS) und einem Schritt zur Wiedergewinnung elektrischer Energie (SW1 = EIN/SW2 = AUS) geschaltet. Ein EIN/AUS des Schalters SW1 und des Schalters SW2 wird von der Steuereinrichtung 400 gesteuert. In 5 ist eine Last (oder elektrische Speichervorrichtung) L mit dem Schalter SW1 verbunden und eine Batterie BT ist mit dem Schalter SW2 verbunden.
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Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 5 bis 7 ein Zyklus der thermodielektrischen Leistungserzeugung der Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung 1 mit der vorstehenden Konfiguration beschrieben. In dem in 5 gezeigten Schaltkreis, sind die Chip-Kondensatoren 102, die geladen worden sind, auf den offenen Zustand (SW1 = AUS, SW2 = AUS) geschaltet, und wie in 6 gezeigt lässt die Luftzufuhr-/Luftabfuhrvorrichtung 201 Luft in dem ersten Raum 120a durch die ersten Düsen 113 ab, und gleichzeitig leitet die Luftzufuhr-/Luftabfuhrvorrichtung 301 durch die zweiten Düsen 114 Luft in den zweiten Raum 120b ein.
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Das Einleiten von Luft in den zweiten Raum 120b veranlasst ein Biegen der Leiterplatte 101, auf der die Chip-Kondensatoren 102 montiert sind, hin zu dem ersten Raum 120a, so dass die Leiterplatte 101 in Kontakt mit der ersten Wand 111a gebracht wird. Dadurch werden die Chip-Kondensatoren 102 durch den Heizkanal 200 beheizt.
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Wasser bei etwa 95°C (Heisswasser) wird hier als Hochtemperatur-Wärmequelle in den Heizkanal 200 eingeleitet, und Wasser bei etwa 15°C° (Kaltwasser) wird als Niedertemperatur-Wärmequelle in den Kühlkanal 300 eingeleitet.
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Dann wird in der in 5 gezeigten Schaltung nach dem Beheizen der Chip-Kondensatoren 102 der Schalter SW1 zu dem Ein-Zustand geschaltet und der Schalter SW2 wird zu dem Aus-Zustand geschaltet und es wird Energie von den Chip-Kondensatoren 102 zurückgewonnen.
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Als Nächstes leitet unter Bezugnahme auf 7 die Luftzufuhr-/Luftabfuhrvorrichtung 201 durch die ersten Düsen 113 Luft in den ersten Raum 120a ein, und gleichzeitig lässt die Luftzufuhr-/Luftabfuhrvorrichtung 301 durch die zweiten Düsen 114 Luft in dem zweiten Raum 120b ab. Das Einleiten von Luft in den ersten Raum 120a veranlasst ein Biegen der Leiterplatte 101, auf der die Chip-Kondensatoren 102 montiert sind, hin zu dem zweiten Raum 120b, so dass die Leiterplatte 101 in Kontakt mit der zweiten Wand 111b gebracht wird. Dadurch werden die Chip-Kondensatoren 102 durch den Kühlkanal 300 gekühlt.
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Als Nächstes wird in dem in 5 gezeigten Schaltkreis der Schalter SW1 zu dem Aus-Zustand geschaltet und der Schalter SW2 wird zu dem Ein-Zustand geschaltet und die Chip-Kondensatoren 102 werden geladen. Dann bewegt sich der Prozess zu dem Heizschritt und dem Schritt zur Rückgewinnung elektrischer Energie, der vorstehend beschrieben ist.
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Auf diese Weise wird durch Wiederholen des Zyklus der thermodielektrischen Leistungserzeugung nacheinander von dem Ladeschritt hin zum Heizschritt und dann dem Schritt zur Rückgewinnung elektrischer Energie bis zum Kühlschritt die thermodielektrische Leistungserzeugung der Reihe nach durchgeführt und eine effiziente Leistungserzeugung ist möglich.
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Wie vorstehend beschrieben ist es gemäß der Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung 1 möglich, die Temperaturänderung der Chip-Kondensatoren 102 durch Montieren der mehreren Chip-Kondensatoren 102 in einer Matrix auf der Leiterplatte 101 und durch Bringen des Chip-Kondensators 102 abwechselnd in Kontakt mit der ersten Wand 111a, mit der der Heizkanal 200 in Kontakt steht, und der zweiten Wand 111b, mit der der Kühlkanal 300 in Kontakt steht, unter Nutzen der Biegsamkeit der Leiterplatte 101 zu steigern.
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Damit wird die Zeit, die nötig ist, bis die Chip-Kondensatoren 102 eine bestimmte Temperatur erreichen, reduziert und eine Anzahl von Heiz- und Kühlzyklen pro Zeiteinheit steigt. Dadurch steigt auch ein Betrag rückgewonnener elektrischer Energie pro Zeiteinheit sowie ein Betrag erzeugter Leistung.
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Gemäß der Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung 1 gibt es, da die mehreren Chip-Kondensatoren 102 einfach parallel verbunden sind, den Fall, bei dem, wenn einer der Chip-Kondensatoren 102 ausfällt und kurzgeschlossen wird, ein elektrischer Strom zu diesem Weg fließt und die anderen Kondensatoren 102 nicht geladen werden können, was möglicherweise zu einem Ausfall einer Leistungserzeugungsfunktion führt. Um die Leistungserzeugung wieder aufzunehmen, ist es ferner erforderlich, den kurzgeschlossenen Chip-Kondensator 102 zu entfernen. Dies erfordert Menschenhand und verlängert die Ausfallzeit. Diese Ausführungsform möchte dieses Problem lösen.
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8 ist ein Diagramm, das einen Hauptteil einer Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf 8 unterscheidet sich diese Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung von der in 1 bis 7 gezeigten Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung 1 darin, dass die Leiterplatte 101 und die mehreren Chip-Kondensatoren 102 durch eine Leiterplatte 501, N Chip-Sicherungen 510 (wobei N eine ganze Zahl nicht kleiner als 2 und zum Beispiel 100 ist) und N × M Chip-Kondensatoren 511 (wobei M eine ganze Zahl nicht kleiner als 2 und zum Beispiel 10 ist) ersetzt sind. Die N×M Chip-Kondensatoren 511 sind nach M gruppiert.
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Analog zur Leiterplatte 101 ist die Leiterplatte 501 ein quadratischer biegsamer Träger unter Verwenden von Polyimid, dessen Dicke etwa 30 µm beträgt. Die Chip-Sicherungen 510 sind so genannte oberflächenmontierte Sicherungen, bei denen Anschlussabschnitte durch Löten oder dergleichen direkt mit Lötaugen und somit ohne Verwenden von Leitungsanschlüssen mit der Leiterplatte verbunden sind. Ähnlich zu den Chip-Kondensatoren 102 sind die Chip-Kondensatoren 511 so genannte oberflächenmontierte Kondensatoren, bei denen Anschlussabschnitte durch Löten oder dergleichen direkt mit Lötaugen und somit ohne Verwenden von Leitungsanschlüssen mit der Leiterplatte verbunden sind.
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Eine Stromquellenleitung 502, die sich an der Leiterplatte 501 entlang einer linken Seite in der Figur entlang einer Y-Richtung erstreckt, ist vorgesehen. An der Innenseite von (der rechten Seite) der Stromquellenleitung 502 sind M Elektroden 502a, die jeweils den M Chip-Sicherungen 510 entsprechen, bei einer vorbestimmten Teilung angeordnet.
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Ferner ist eine Erdungsleitung 503, die sich entlang einer rechten Seite der Leiterplatte 501 in der Figur entlang der Y-Richtung erstreckt, vorgesehen. Zwischen den Leitungen 502 und 504 sind mehrere Erdungsleitungen 504, die sich entlang einer X-Richtung erstrecken, in der Y-Richtung bei einer vorbestimmten Teilung angeordnet. Ein rechtes Ende jeder Erdungsleitung 504 ist mit der Erdungsleitung 503 verbunden. Leitungen 505, die sich entlang der X-Richtung erstrecken, sind so vorgesehen, dass sie jeweils den Erdungsleitungen 504 zugewandt sind. Die Leitungen 504 und 505 sind bei vorbestimmten Intervallen parallel angeordnet. Ferner ist ein linkes Ende jeder Leitung 505 einer entsprechenden der Elektroden 502a zugewandt positioniert.
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Eine Elektrode jeder Chip-Sicherung 510 ist mit einer Oberfläche einer entsprechenden der Elektroden 502a verbunden, und die andere Elektrode ist mit einer Oberfläche eines linken Endes einer der Leitungen 505 verbunden. Eine Elektrode jedes Chip-Kondensators 511 ist mit einer Oberfläche einer entsprechenden der Leitungen 505 verbunden, und die andere Elektrode ist mit einer Oberfläche einer entsprechenden der Leitungen 504 verbunden.
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Wenn die Chip-Sicherungen 510 und die Chip-Kondensatoren 511 auf der Leiterplatte 501 montiert sind, ist die Höhe von oberen Flächen der Chip-Sicherungen 510 von der Leiterplatte 501 so festgelegt, dass sie nicht höher als die oberen Flächen der Chip-Kondensatoren 511 von der Leiterplatte 501 ist. Die Dicke der Chip-Sicherungen 510 ist mit anderen Worten nicht größer als die der Chip-Kondensatoren 511. Denn, wenn die Dicke der Chip-Sicherungen 510 größer als die der Chip-Kondensatoren 511 ist, behindern die Chip-Sicherungen 510 den Kontakt zwischen den Chip-Kondensatoren 511 und der zweiten Wand 111b, wenn die Leiterplatte 501 verbogen wird, und somit die Temperaturänderung der Chip-Kondensatoren 511.
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9 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration der unter Bezugnahme auf 8 beschriebenen Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf 9 zeigt Kondensatoren CG die M Chip-Kondensatoren 511 an, die miteinander parallel verbunden sind. Die einen Elektroden der N Chip-Sicherungen 510 sind mittels der Stromquellenleitung 502 und des Schalters SW2 mit einer positiven Elektrode der Batterie BT verbunden. Die einen Elektroden der Kondensatoren CG sind jeweils mit den anderen Elektroden der Chip-Sicherungen 510 verbunden, und die anderen Elektroden der Kondensatoren CG sind mittels der Erdungsleitung 503 mit einer negativen Elektrode der Batterie BT verbunden.
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Bei dem Kühlschritt werden beide Schalter SW1 und SW2 zu dem Aus-Zustand geschaltet und die Leiterplatte 501 wird hin zu dem Kühlkanal 300 gebogen, um die Kondensatoren CG zu kühlen. Während die Kondensatoren CG in dem Ladeschritt gekühlt gehalten werden, werden die Schalter SW1 und SW2 jeweils zu dem Aus-Zustand und dem Ein-Zustand geschaltet. Damit fließt ein elektrischer Strom mittels der Chip-Sicherungen 510 von der Batterie BT zu den Kondensatoren CG und die Kondensatoren CG werden geladen.
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Bei dem Heizschritt werden beide Schalter SW1 und SW2 zu dem Aus-Zustand geschaltet und die Leiterplatte 501 wird hin zu dem Heizkanal 200 gebogen, um die Kondensatoren CG zu beheizen. Damit wird die elektrische Energie der Kondensatoren CG verstärkt und eine Anschlussspannung der Kondensatoren CG steigt. Während die Kondensatoren CG in dem Schritt zur Rückgewinnung elektrischer Energie beheizt gehalten werden, werden die Schalter SW1 und SW2 jeweils zu dem Ein-Zustand und dem Aus-Zustand geschaltet. Damit fließt ein elektrischer Strom mittels der Chip-Sicherungen 510 von den Kondensatoren CG zu der Last L und die Kondensatoren CG werden entladen.
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Wie in 10 gezeigt ist, fließt, wenn einer der Chip-Kondensatoren 511 in dem Ladeschritt kurzgeschlossen wird, ein großer elektrischer Strom durch einen Weg von der Stromquellenleitung 502 zu der entsprechenden Chip-Sicherung 510, zu dem kurzgeschlossenen Chip-Kondensator 511 und zu den Erdungsleitungen 504 und 503.
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Wie ferner in 11 gezeigt ist, fließt, wenn einer der Chip-Kondensatoren 511 in dem Schritt zur Rückgewinnung elektrischer Energie kurzgeschlossen wird, ein großer elektrischer Strom durch einen Weg von dem anderen der Chip-Kondensatoren 511, die geladen wurden, zu der Stromquellenleitung 502, zu den entsprechenden Chip-Sicherungen 510 und zu dem kurzgeschlossenen Chip-Kondensator 511. Hier zeigen 10 und 11 einen Fall, bei dem einer der Chip-Kondensatoren 511, der an einer zweiten Zeile von oben und einer zweiten Spalte von links positioniert ist, kurzgeschlossen ist.
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Dadurch werden, wie in 12 gezeigt, die Chip-Kondensatoren 511 entlang der zweiten Zeile von oben gesichert und eine Gruppe von Kondensatoren entlang der zweiten Zeile von oben (die Kondensatoren CG) werden von der Stromquellenleitung 502 elektrisch getrennt. Ab dem nächsten Lade- und Entladezyklus können demgemäß andere Gruppen von Kondensatoren geladen und entladen werden, ohne von dem kurzgeschlossenen Chip-Kondensator 511 beeinträchtigt zu werden.
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Selbst wenn daher einer der Chip-Kondensatoren 511 ausfällt und kurzgeschlossen wird, ist es gemäß dieser Ausführungsform möglich, ein Aufstauen von elektrischem Strom zu dem Weg zu diesem Chip-Kondensator sowie das Auftreten eines Ausfalls einer Leistungserzeugungsfunktion zu verhindern. Um die Leistungserzeugung wieder aufzunehmen, ist es ferner nicht erforderlich, den kurzgeschlossenen Chip-Kondensator 511 zu entfernen, und für diesen Zweck ist keine Menschenhand erforderlich.
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Zu beachten ist, dass, wenn die Chip-Kondensatoren 511 kurzgeschlossen werden, so dass sie ausfallen, wenn wie vorstehend beschrieben eine der Gruppen von Kondensatoren ihre Funktion einstellt, ein Betrag der erzeugten Leistung sinkt. Daher ist eine Auslegung mit einer Marge entsprechend ihrer Anwendung erforderlich und erfindungsgemäß ist es möglich, eine Wartung zu erleichtern und ein Reduzieren der Betriebsquote zu verhindern.
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Statt des Montierens von Chip-Sicherungen 510 auf der Leiterplatte 501 können hier Sicherungen durch die Leitungen auf der Leiterplatte 501 gebildet werden.
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13 zeigt mit (a) bis (d) ein Zeitdiagramm, das einen Betrieb dieser Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung veranschaulicht. Insbesondere in 13 zeigt (a) eine Temperatur T (°C) einer seitlichen Fläche der Chip-Kondensatoren 511, (b) zeigt einen Ein-Aus-Betrieb des Schalters SW2, (c) zeigt einen Ein-Aus-Betrieb des Schalters SW1 und (d) zeigt eine Anschlussspannung VL (VL) der Last L. Wie aus (a) bis (d) in 13 deutlich zu sehen ist, werden Laden und Entladen nicht unbedingt nach Stabilisieren der Temperatur durchgeführt, sondern während der Temperaturänderung. Zusammen mit der Temperaturänderung ändert sich die Anschlussspannung des Kondensators und Laden und Entladen werden in der Mitte dieser Änderungen durchgeführt.
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Wie durch (a) in 13 gezeigt ist, werden Beheizen und Kühlen der Leiterplatte 501 jeweils etwa 5 Sekunden lang abwechselnd durchgeführt. Ferner wird eine Temperatur TH der Hochtemperatur-Wärmequelle auf 150 °C festgelegt, und eine Temperatur TL der Niedertemperatur-Wärmequelle wird auf 15 °C festgelegt. Wenn die Leiterplatte 501 mit dem Heizkanal 200 in Kontakt gebracht wird, steigt die Temperatur T der Chip-Kondensatoren 511 bis auf etwa 130 °C. Wenn die Leiterplatte 501 mit dem Kühlkanal 300 in Kontakt gebracht wird, sinkt die Temperatur T der Chip-Kondensatoren 511 bis auf etwa 35 °C.
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Wie ferner von (b) und (c) in 13 gezeigt wird, wird der Schalter SW2 eingeschaltet, um die Chip-Kondensatoren 511 während eines Zeitraums zu laden, in dem die Temperatur T der Chip-Kondensatoren 511 sinkt, und der Schalter SW1 wird eingeschaltet, um die Chip-Kondensatoren 511 während eines Zeitraums zu entladen, in dem die Temperatur T der Chip-Kondensatoren 511 steigt.
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Ferner steigt, wie durch (b) bis (d) in 13 gezeigt ist, durch Beheizen nach dem Einschalten des Schalters SW2, um die Chip-Kondensatoren 511 zu laden, seine Anschlussspannung auf etwa 100 V, wenn die elektrische Energie der Chip-Kondensatoren 511 verstärkt wird. Wenn der Schalter SW1 in diesem Zustand eingeschaltet wird, wird die in den Chip-Kondensatoren 511 geladene elektrische Energie der Last L zugeführt, und die Anschlussspannung der Chip-Kondensatoren 511, d.h. die Anschlussspannung VL (V) der Last L, sinkt schnell.
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Von (a) bis (d) in 13 ist der Fall gezeigt, bei dem wie in 11 gezeigt einer der Chip-Kondensatoren 511 ausfällt und kurzgeschlossen wird, wenn der Schalter SW1 eingeschaltet wird und die elektrische Energie der M × N Chip-Kondensatoren 511 der Last L (Zeit t0) zugeführt wird. Wenn einer der Chip-Kondensatoren 511 kurzgeschlossen wird, werden auch die Anschlüsse der Last L von diesem Chip-Kondensator 511 kurzgeschlossen, und die Anschlussspannung VL der Last L sinkt herunter auf 0 V.
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Wie in 11 und 12 gezeigt wird ferner der elektrische Strom, der sich zu dem kurzgeschlossenen Chip-Kondensator 511 aufstaut, und die Chip-Sicherung 510, die diesem Chip-Kondensator 511 entspricht, wird ausgelöst. Die Kondensatoren CG der Gruppe, die den kurzgeschlossenen Chip-Kondensator 511 umfassen, werden von der Stromquellenleitung 502 elektrisch getrennt. Damit arbeiten die Chip-Kondensatoren 511 anderer Gruppen ab dem nächsten Lade- und Entladezyklus normal und die Leistungserzeugung wird fortgesetzt.
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Die vorliegend offenbarte Ausführungsform ist in jeder Hinsicht als veranschaulichend, nicht einschränkend zu verstehen. Der Schutzumfang der Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche festgelegt und ist nicht auf die vorstehende Beschreibung beschränkt, und demgemäß können alle geeigneten Abwandlungen und Äquivalente herangezogen werden, die in den Schutzumfang der Erfindung fallen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur thermodielektrischen Leistungserzeugung
- 100
- Stromgeneratoreinrichtung
- 101, 501
- Leiterplatte
- 102, 511
- Chip-Kondensator
- 103
- Wärmewiderstand reduzierende Lage
- 110
- Kammer
- 111a
- erste Wand
- 111b
- zweite Wand
- 112a-112d
- seitliche Fläche
- 113
- erste Düse
- 114
- zweite Düse
- 120a
- erster Raum
- 120b
- zweiter Raum
- 200
- Heizkanal
- 201, 301
- Luftzufuhr-/Luftabfuhrvorrichtung
- 300
- Kühlkanal
- 400
- Steuereinrichtung
- 501
- Leiterplatte
- 502
- Stromquellenleitung
- 502a
- Elektrode
- 503, 504
- Erdungsleitung
- 505
- Leitung
- 510
- Chip-Sicherung
- BT
- Batterie
- CA
- Kondensator
- CG
- Kondensator
- L
- Last
- SW1, SW2
- Schalter
