JP2000312035A - Thermoelectric generation system - Google Patents

Thermoelectric generation system

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JP2000312035A
JP2000312035A JP11121169A JP12116999A JP2000312035A JP 2000312035 A JP2000312035 A JP 2000312035A JP 11121169 A JP11121169 A JP 11121169A JP 12116999 A JP12116999 A JP 12116999A JP 2000312035 A JP2000312035 A JP 2000312035A
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Japan
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heat
thermoelectric
exhaust pipe
power generation
generation system
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JP11121169A
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Shuzo Kagawa
修三 香川
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Kubota Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress performance degradation due to overheating of a thermoelectric element related to a system wherein an exhaust pipe in which an exhaust gas having large temperature fluctuation flows is utilized as a heat source, and a BiTe thermoelectric module is provided at the heat source for heat exchange. SOLUTION: Between a thermoelectric module 10 and an exhaust pipe 30 which is a heat source, a heat bank 20 for reducing the effect of fluctuation in the heat amount supplied from the exhaust pipe 30 is provided. The heat bank 20 comprises a metal of large specific heat and heat medium oil. The exhaust pipe 30 is provided with a by-pass pipe 24 which communicates between the upper stream side and lower stream side of the heat bank 20, while the by-pass pipe 24 is provided with a valve device 26 which opens/closes according to the temperature of exhaust gas.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、温度変動の大きな
排ガス等の熱を利用した熱電発電システムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric power generation system utilizing heat of exhaust gas or the like having a large temperature fluctuation.

【0002】[0002]

【従来の技術】熱電モジュールは、一般的に、p型熱電
素子とn型熱電素子が電極板を介して電気的に直列とな
るように接合されたもので、一般に、電極板には、セラ
ミック等の絶縁板が設けられている。この熱電モジュー
ルは、熱源と冷却手段に対して夫々熱交換可能に配備さ
れ、熱電素子に生じた温度差によって電位差が発生す
る。この現象は、ゼーベック効果として知られており、
熱電モジュールは、工業炉、焼却炉、家庭用ストーブ等
の燃焼排ガス、自動車エンジンの排ガス等を熱源として
利用した熱電発電システムに利用されている。
2. Description of the Related Art A thermoelectric module generally comprises a p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element which are electrically connected in series via an electrode plate. Etc. are provided. The thermoelectric module is provided so as to be capable of exchanging heat with the heat source and the cooling means, respectively, and a potential difference is generated by a temperature difference generated in the thermoelectric element. This phenomenon is known as the Seebeck effect,
BACKGROUND ART Thermoelectric modules are used in thermoelectric power generation systems that use combustion exhaust gas from industrial furnaces, incinerators, household stoves and the like, exhaust gas from automobile engines, and the like as heat sources.

【0003】この熱電モジュールは、使用する熱電素子
の材料によってその熱起電力特性が異なり、常温から約
300℃の低温度域で有効なBiTe系、約300℃〜
約600℃の中温度域で有効なPbTe系、約600℃
〜約900℃の高温度域で有効なSiGe系がある。前
述の排ガスを熱源として利用する場合、排ガスの温度
は、約200〜700℃の温度範囲にあるから、一般的
に、PbTe系、BiTe系の熱電モジュールが使用さ
れる。しかし、近年、Pbの使用が厳しく規制されるよ
うになってきているため、BiTe系熱電モジュールの
利用が拡大している。
[0003] This thermoelectric module has different thermoelectromotive characteristics depending on the material of the thermoelectric element to be used, and is a BiTe type which is effective in a low temperature range from room temperature to about 300 ° C.
PbTe system effective in middle temperature range of about 600 ° C, about 600 ° C
There is a SiGe system effective in a high temperature range of about 900 ° C. When the above-mentioned exhaust gas is used as a heat source, the temperature of the exhaust gas is in a temperature range of about 200 to 700 ° C., and therefore, a PbTe-based or BiTe-based thermoelectric module is generally used. However, since the use of Pb has been strictly regulated in recent years, the use of BiTe-based thermoelectric modules has been expanding.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、このBiTe
系熱電モジュールは、一般的に、約350℃を越える
と、熱電素子の性能劣化を生じ易くなり、約400℃以
上の温度にさらされると、素子寿命が著しく低下する。
ところで、前記の排ガスの温度は、工業炉等では燃焼時
の発生熱量により、また自動車ではエンジンの出力によ
って刻々と変動する。特に、自動車の排ガスの場合、温
度は秒単位で変動し、その変動範囲も大きい。このた
め、排ガスが流れる排気管を熱源として利用した熱電発
電システムにBiTe系熱電モジュールを用いた場合、
素子が過熱されて性能劣化を招き、素子の寿命が短くな
る問題があった。
However, this BiTe
Generally, when the temperature of the thermoelectric module exceeds about 350 ° C., the performance of the thermoelectric element tends to deteriorate, and when the module is exposed to a temperature of about 400 ° C. or more, the life of the element is significantly reduced.
By the way, the temperature of the exhaust gas fluctuates depending on the amount of heat generated during combustion in an industrial furnace or the like, and every moment depending on the output of an engine in an automobile. In particular, in the case of automobile exhaust gas, the temperature fluctuates every second and the fluctuation range is large. Therefore, when a BiTe-based thermoelectric module is used in a thermoelectric power generation system using an exhaust pipe through which exhaust gas flows as a heat source,
There has been a problem that the element is overheated and performance is deteriorated, thereby shortening the life of the element.

【0005】本発明の目的は、熱電モジュール、特にB
iTe系熱電モジュールを、温度変動の大なる熱源に熱
交換可能に配備して熱電発電を行なうシステムにおい
て、熱電素子の過熱による性能劣化を可及的に抑制する
ことである。
An object of the present invention is to provide a thermoelectric module,
In a system in which an iTe-based thermoelectric module is arranged so as to be capable of exchanging heat with a heat source having a large temperature fluctuation to perform thermoelectric generation, performance degradation due to overheating of a thermoelectric element is suppressed as much as possible.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明の熱電発電システ
ムは、p型熱電素子とn型熱電素子が電気的に直列接続
されてなる熱電モジュールの一方の側を、温度変動の大
なる高温の排ガスが流れる排気管に対して熱交換可能に
配備すると共に、前記熱電モジュールの他方の側を冷却
手段に対して熱交換可能に配備して、熱電素子に生じた
温度差によって発電を行なうものにおいて、排気管と熱
電モジュールとの間に、排気管から供給される熱量の変
動の影響を小さくするための熱だまりを配備したもので
ある。熱だまりは、熱容量の大きな金属、熱媒オイル等
が使用される。熱だまりの形態は、熱源となる排気管に
熱交換可能に配備できるものであれば、特に限定されな
い。熱媒オイルを使用する場合、熱容量の大きな金属ジ
ャケットの中に液密に収容して使用される。
The thermoelectric power generation system according to the present invention comprises a thermoelectric module, in which a p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element are electrically connected in series, is connected to a high-temperature thermoelectric module having a large temperature fluctuation. A heat exchanger is provided so as to be able to exchange heat with an exhaust pipe through which exhaust gas flows, and the other side of the thermoelectric module is arranged so that heat can be exchanged with respect to a cooling means, and power is generated by a temperature difference generated in a thermoelectric element. In addition, a heat sink is provided between the exhaust pipe and the thermoelectric module to reduce the influence of fluctuations in the amount of heat supplied from the exhaust pipe. For the heat reservoir, a metal having a large heat capacity, a heat medium oil, or the like is used. The form of the heat reservoir is not particularly limited as long as it can be disposed in the exhaust pipe serving as a heat source so that heat can be exchanged. When using a heat transfer medium oil, it is used in a metal jacket having a large heat capacity in a liquid-tight manner.

【0007】本発明の熱電発電システムでは、排気管に
は、熱だまりの上流側と下流側に連通するバイパス管を
設け、該バイパス管には、排ガスの温度に応じて開閉可
能な弁装置を配備することが望ましい。
[0007] In the thermoelectric power generation system of the present invention, the exhaust pipe is provided with a bypass pipe communicating with the upstream side and the downstream side of the heat reservoir, and the bypass pipe has a valve device that can be opened and closed according to the temperature of the exhaust gas. It is desirable to deploy.

【0008】[0008]

【作用】熱源となる排気管から供給される熱エネルギー
は熱だまりで一旦蓄熱された後、熱電モジュールの熱電
素子へ伝達されるから、熱源の温度変動は熱だまりで吸
収され、熱電モジュールの高温側での温度変動範囲は小
さくなる。それゆえ、熱だまりの熱容量を適宜設定する
ことにより、熱電素子の温度が例えば350℃を超えな
いように制御することができる。また、熱電モジュール
の発電量は、温度差の2乗に比例する。このため、熱電
素子の過熱劣化を生じないぎりぎりの温度で熱電発電を
行なうことにより、温度差を大きくとることができ、最
大限の発電効率を達成することができる。
[Function] The thermal energy supplied from the exhaust pipe serving as a heat source is temporarily stored in a heat reservoir, and then transmitted to the thermoelectric element of the thermoelectric module. The temperature fluctuation range on the side becomes smaller. Therefore, by appropriately setting the heat capacity of the heat pool, it is possible to control the temperature of the thermoelectric element so as not to exceed 350 ° C., for example. Further, the power generation amount of the thermoelectric module is proportional to the square of the temperature difference. For this reason, by performing thermoelectric power generation at a temperature as short as possible without causing overheat deterioration of the thermoelectric element, a large temperature difference can be obtained, and maximum power generation efficiency can be achieved.

【0009】また、バイパス管を設けた構成では、所定
量以上の熱エネルギーが熱源から熱だまりへ供給される
と、バイパス管の弁装置が開くので、熱電モジュールの
高温側へ過度の熱エネルギーが供給されることはなく、
熱電素子の過熱は確実に防止される。
[0009] In the configuration in which the bypass pipe is provided, when a predetermined amount or more of heat energy is supplied from the heat source to the heat reservoir, the valve device of the bypass pipe is opened, so that excessive heat energy is supplied to the high temperature side of the thermoelectric module. Will not be supplied,
Overheating of the thermoelectric element is reliably prevented.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】熱電モジュール(10)は、図1に示
されるように、所定個数のp型熱電素子(12)とn型熱電
素子(13)を縦横に並べて、隣り合う熱電素子(12)(13)ど
うしを第1及び第2の電極板(14)(15)を用いて電気的に
直列となるように接続したものが使用される。電極板(1
4)(15)の上には、アルミナ、窒化アルミ等のセラミック
からなる絶縁板(16)(17)が設けられている。使用する熱
電素子の個数は、要求される発電容量によって適宜決定
される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As shown in FIG. 1, a thermoelectric module (10) is composed of a predetermined number of p-type thermoelectric elements (12) and n-type thermoelectric elements (13) arranged in rows and columns. 12) and (13) are used in which first and second electrode plates (14) and (15) are electrically connected in series. Electrode plate (1
4) On the (15), insulating plates (16) and (17) made of ceramics such as alumina and aluminum nitride are provided. The number of thermoelectric elements to be used is appropriately determined according to the required power generation capacity.

【0011】熱電素子の材料については特に限定される
ものではないが、本発明は、BiTe系の熱電材料の寿
命改善に有効であることから、p型熱電素子として、
(Bi2Te3)1-X(Sb2Te3)Xであって、xが約0.7
〜0.85のもの、n型熱電素子として、(Bi2Te3)
1-X(Bi2Se3)Xであって、xが0.05〜0.15のも
のを例示することができる。
Although the material of the thermoelectric element is not particularly limited, the present invention is effective for improving the life of the BiTe-based thermoelectric material.
(Bi 2 Te 3) 1- X (Sb 2 Te 3) a X, x is from about 0.7
~ 0.85, as an n-type thermoelectric element, (Bi 2 Te 3 )
1-X (Bi 2 Se 3 ) a X, it can x is mentioned as 0.05-0.15.

【0012】熱電モジュール(30)の高温となる側には、
そのほぼ全面に亘って接触するように、熱だまり(20)が
配備される。熱だまり(20)は、熱源と、熱電モジュール
(10)の高温となる側との間で熱交換可能に配備できるも
のであれば、その形態は特に限定されない。一般的に
は、図1に示すように板状体又はブロック体に作られ
る。熱だまり(20)は、熱容量の大きな金属、望ましくは
比熱約0.2cal/K・g以上の金属から作られる。この金
属の例として、例えば、アルミニウム、マグネシウムが
用いられる。熱だまり(20)として、熱媒オイルを使用す
ることもできる。この場合、熱媒オイル(22)(図2参照)
は、好ましくは比熱の大きな金属から作られたジャケッ
トの内部に液密に収容される。なお、加熱によりオイル
が膨張するため、あらかじめ膨張してもよいように、別
途、膨張タンク機能を備えておく。
On the hot side of the thermoelectric module (30),
A heat sink (20) is provided so as to make contact over substantially the entire surface. Heat pool (20) consists of heat source and thermoelectric module
The form is not particularly limited as long as it can be disposed so as to be capable of exchanging heat with the high-temperature side of (10). Generally, it is made in a plate or block as shown in FIG. The heat pool (20) is made of a metal having a large heat capacity, preferably a metal having a specific heat of about 0.2 cal / K · g or more. As examples of the metal, for example, aluminum and magnesium are used. As the heat reservoir (20), a heat medium oil can be used. In this case, the heating medium oil (22) (see FIG. 2)
Is liquid-tightly housed inside a jacket, preferably made of a metal with a high specific heat. Since the oil expands due to heating, an expansion tank function is separately provided so that the oil may expand in advance.

【0013】熱電モジュール(10)の低温となる側には冷
却手段が熱交換可能に設けられる。空気冷却式の場合
は、図1に示すように、表面に熱伝達量を増やすための
フィン(42)を多数突設した放熱部材(40)が冷却手段とし
て使用される。水冷却式の場合、図2に示すように、中
空構造のブロック体の内部を冷却用水が流通する吸熱部
材(45)が冷却手段として使用される。
A cooling means is provided on the side of the thermoelectric module (10) where the temperature is low so that heat can be exchanged. In the case of the air-cooling type, as shown in FIG. 1, a heat dissipating member (40) having a large number of fins (42) projecting from the surface thereof for increasing the amount of heat transfer is used as cooling means. In the case of the water cooling type, as shown in FIG. 2, a heat absorbing member (45) through which cooling water flows inside the block body having a hollow structure is used as cooling means.

【0014】なお、電気的直列回路の基端と終端となる
熱電素子には、リード線(図示せず)が取り付けられ、発
生した電力は、直接直流電源機器へ、又は交流電力に変
換するためのインバータへ送られる。
A lead wire (not shown) is attached to a thermoelectric element serving as a base end and an end of the electric series circuit, and the generated power is directly converted into DC power supply equipment or converted into AC power. To the inverter.

【0015】[0015]

【実施例】第1実施例 図3は、図1に示す構成の熱電モジュール(熱電素子は
BiTe系を使用)を、自動車エンジンの排気ガスが流
れる排気管に設置した熱電発電システムの実施例を示し
ている。エンジン(32)には、排ガスが流れる排気管(30)
が配設されてあり、該排気管の途中に、熱電モジュール
(10)が配備され、熱電素子(12)(13)の電気的直列回路の
基端と終端は、バッテリ(52)と負荷(54)へ電気的に接続
されている。排気管(30)には、熱だまり(20)の上流側と
下流側に連通するバイパス管(24)が設けられ、該バイパ
ス管(24)には、電磁弁等の弁装置(26)が配備される。
First Embodiment FIG. 3 shows an embodiment of a thermoelectric power generation system in which a thermoelectric module having the structure shown in FIG. 1 (a thermoelectric element uses a BiTe system) is installed in an exhaust pipe through which exhaust gas of an automobile engine flows. Is shown. Exhaust pipe (30) through which exhaust gas flows into the engine (32)
Is provided, and a thermoelectric module is provided in the middle of the exhaust pipe.
(10) is provided, and the base end and the end of the electric series circuit of the thermoelectric elements (12) and (13) are electrically connected to the battery (52) and the load (54). The exhaust pipe (30) is provided with a bypass pipe (24) communicating with the upstream side and the downstream side of the heat reservoir (20), and the bypass pipe (24) has a valve device (26) such as a solenoid valve. Be deployed.

【0016】熱だまり(20)は、熱電モジュール(10)の高
温となる側と、排気管(30)との間に熱交換可能に配備さ
れる。熱だまり(20)には、温度センサーとしての熱電対
が埋設され、該熱電対は制御部(28)を経て、弁装置(26)
へ電気的に接続されており、熱電対の検出温度に応じ
て、制御部から弁装置(26)へ指令が発せられて、弁装置
(26)の開閉が行われる。熱電対で検出された温度が設定
温度よりも低いとき、制御部(28)からは、弁装置(26)に
対して「閉」の信号が送信され、設定温度よりも高くな
ったとき、弁装置(26)に対して「開」の信号が送信され
る。さらに高精度の温度調節を所望する場合には、開度
調節可能な弁装置(26)を使用することもできる。また、
より簡便には、電気制御装置を使用しないで、形状記憶
合金等を用いて、直接開閉可能なシステムとすることも
できる。
The heat reservoir (20) is disposed between the hot side of the thermoelectric module (10) and the exhaust pipe (30) so as to be able to exchange heat. A thermocouple as a temperature sensor is embedded in the heat reservoir (20), and the thermocouple passes through a control unit (28), and is connected to a valve device (26).
A command is issued from the control unit to the valve device (26) in accordance with the temperature detected by the thermocouple, and the valve device is
(26) is opened and closed. When the temperature detected by the thermocouple is lower than the set temperature, the control unit (28) transmits a signal of `` closed '' to the valve device (26). An "open" signal is transmitted to the device (26). If more precise temperature control is desired, a valve device (26) whose opening can be adjusted can be used. Also,
More simply, a system that can be directly opened and closed by using a shape memory alloy or the like without using an electric control device can be used.

【0017】次に、上記構成の熱電発電システムの作動
について説明する。エンジン(32)が始動すると、排気管
(30)の中を高温の排ガスが流れる。排ガスの熱エネルギ
ーは、熱だまり(20)を介して、熱電モジュール(10)へ供
給される。熱電素子の(12)(13)の他方側は、放熱部材(4
0)からの冷却作用を受けて、低温状態にあるから、各熱
電素子に温度差が生じて、起電力が発生する。熱電素子
で発生した電力は、バッテリ(52)へ供給されて充電が行
われると共に、負荷(54)の必要電力として負荷(54)へ直
接供給される。
Next, the operation of the thermoelectric power generation system having the above configuration will be described. When the engine (32) starts, the exhaust pipe
High-temperature exhaust gas flows through (30). The thermal energy of the exhaust gas is supplied to the thermoelectric module (10) via the heat reservoir (20). The other side of the thermoelectric elements (12) and (13) is
In response to the cooling action from (0), the thermoelectric element is in a low temperature state, so that a temperature difference occurs between the thermoelectric elements and an electromotive force is generated. The power generated by the thermoelectric element is supplied to the battery (52) for charging, and is also directly supplied to the load (54) as required power of the load (54).

【0018】排ガスの温度は、エンジンの回転状態等に
より、約200〜700℃の範囲内で刻々と変動する
が、本発明の上記構成では、排ガスの熱エネルギーは、
一旦熱だまり(20)で貯められ、排ガスの温度変動は熱だ
まり(20)で吸収される。即ち、排ガスは、温度変動の小
さい熱エネルギーとして、熱電モジュールへ供給される
ことになる。この結果、熱だまり(20)の熱容量の設計を
適正に行なうことにより、BiTe系熱電素子の性能劣
化を招くような温度への昇温はほぼ回避される。なお、
排気管(30)にバイパス管(24)を設けた構成では、熱だま
り(20)の温度が設定値を超えると、バイパス管(24)の弁
装置(26)が開くので、排気管(30)から熱だまり(20)へ供
給される熱エネルギー量は少なくなり、熱電モジュール
(10)へ必要以上の熱エネルギーが供給されることはな
く、熱電素子の過熱は確実に防止される。
The temperature of the exhaust gas fluctuates every time within the range of about 200 to 700 ° C. depending on the rotational state of the engine and the like. In the above configuration of the present invention, the thermal energy of the exhaust gas is
Once stored in the heat reservoir (20), the temperature fluctuation of the exhaust gas is absorbed in the heat reservoir (20). That is, the exhaust gas is supplied to the thermoelectric module as thermal energy having small temperature fluctuation. As a result, by properly designing the heat capacity of the heat pool (20), the temperature rise to a temperature that causes deterioration of the performance of the BiTe-based thermoelectric element is substantially avoided. In addition,
In the configuration in which the bypass pipe (24) is provided in the exhaust pipe (30), when the temperature of the heat reservoir (20) exceeds the set value, the valve device (26) of the bypass pipe (24) opens, so that the exhaust pipe (30) is opened. ), The amount of heat energy supplied to the heat pool (20) is reduced, and the thermoelectric module
Unnecessary thermal energy is not supplied to (10), and overheating of the thermoelectric element is reliably prevented.

【0019】熱だまりの重量設計は、次の要領にて行な
うことができる。例えば、発電出力が500ワット(1
20cal/秒)の熱電発電システムの場合、熱電モジュー
ルの変換効率を10%と想定すると、1分間あたりの供
給熱量は72kcalとなる。この2倍の熱量(144kcal/
分)が供給され続けたと仮定し、その場合にも10分間
の温度上昇を50℃以内に抑えるには、(144−72)
kcal/分×10分÷50℃より、単位温度あたりの熱容
量として14.4kcalのものを熱だまりとして使用すれ
ばよい。
The weight of the heat pool can be designed in the following manner. For example, if the power generation output is 500 watts (1
In the case of a thermoelectric power generation system of 20 cal / sec), assuming that the conversion efficiency of the thermoelectric module is 10%, the amount of heat supplied per minute is 72 kcal. Double the amount of heat (144 kcal /
(144-72) in order to keep the temperature rise for 10 minutes within 50 ° C.
From kcal / min × 10 minutes1050 ° C., 14.4 kcal with a heat capacity per unit temperature may be used as a heat reservoir.

【0020】このため、熱だまりの材料としてアルミニ
ウムを用いる場合、アルミニウムの比熱は0.25cal/
K・gであるから、上記の設定条件を充足するには、重量
57.6kgとなる。なお、アルミニウムは、熱伝導率も
230W/m・Kと高いため、熱だまりの材料として好適で
ある。熱だまりとして、熱媒オイルを使用する場合、比
熱が0.53cal/K・gの市販熱媒オイルを用いると、上
記の設定条件を充足するには、ジャケット内部に27kg
の熱媒オイルが収容されたものを使用すればよい。な
お、熱媒オイルは加熱により熱膨張するので、その膨張
量を吸収し得る空間を設けておく必要がある。
Therefore, when aluminum is used as the material of the heat sink, the specific heat of aluminum is 0.25 cal /
Since it is K · g, the weight is 57.6 kg in order to satisfy the above set conditions. Note that aluminum has a high thermal conductivity of 230 W / m · K, and thus is suitable as a material for the heat reservoir. When using a heat transfer oil as a heat reservoir, if a commercially available heat transfer oil having a specific heat of 0.53 cal / K · g is used, to satisfy the above-mentioned set conditions, 27 kg is required inside the jacket.
May be used. Since the heat medium oil thermally expands by heating, it is necessary to provide a space capable of absorbing the expansion amount.

【0021】前記の設計条件では、144kcal/分の熱
量が10分間供給され続けた場合でも、熱だまりの温度
上昇は50℃以内に抑えられる。また、バイパス回路を
設けた構成では、その10分の間に高温排ガスの供給を
制御することができる。
Under the above-mentioned design conditions, even if the heat quantity of 144 kcal / min is continuously supplied for 10 minutes, the temperature rise of the heat pool can be suppressed within 50 ° C. Further, in the configuration in which the bypass circuit is provided, the supply of the high-temperature exhaust gas can be controlled during the ten minutes.

【0022】第2実施例 図4は、図2に示す構成の熱電モジュール(熱電素子は
BiTe系を使用)を、寒冷地におけるストーブ(石油、
石炭、ガス式など)の燃焼排ガスが流れる排気管に設置
した熱電発電システムの実施例を示している。ストーブ
(33)には、燃焼排ガスが流れる排気管(30)が配設されて
あり、該排気管の途中に、熱電モジュール(10)が配備さ
れ、熱電素子(12)(13)の電気的直列回路の基端と終端
は、インバータ(48)へ接続されている。
Second Embodiment FIG. 4 shows a thermoelectric module (using a BiTe type thermoelectric element) having the structure shown in FIG.
1 shows an embodiment of a thermoelectric power generation system installed in an exhaust pipe through which a combustion exhaust gas of coal, gas, or the like flows. Stove
An exhaust pipe (30) through which the combustion exhaust gas flows is disposed in (33), and a thermoelectric module (10) is provided in the middle of the exhaust pipe, and the thermoelectric elements (12) and (13) are electrically connected in series. The base and end of the circuit are connected to an inverter (48).

【0023】熱だまり(20)は、内部に熱媒オイルが収容
されたジャケットが排気管の外周を被覆するように配備
されている。熱媒オイルとして、例えば、シリコーン油
を使用することができる。この熱媒オイルの比熱は約
0.53cal/K・gである。
The heat reservoir (20) is provided such that a jacket containing a heat transfer medium oil covers the outer periphery of the exhaust pipe. As the heat carrier oil, for example, silicone oil can be used. The specific heat of this heat transfer oil is about 0.53 cal / Kg.

【0024】冷却手段は、中空構造のブロック体の内部
を冷却用水が流通する吸熱部材(45)が使用される。タン
ク(62)内の水は、ポンプ(58)により吸熱部材(45)へ送給
され、熱電素子(12)(13)との熱交換によって昇温して温
水となり、床下暖房、壁面暖房などのアプリケーション
(60)の熱源として利用された後、タンク(62)に戻され
る。なお、アプリケーションの他の例として、温水を一
旦貯めておき、炊事、洗濯、風呂などに利用することも
できる。
As the cooling means, a heat absorbing member (45) through which cooling water flows inside the block having a hollow structure is used. The water in the tank (62) is supplied to the heat absorbing member (45) by the pump (58), and the temperature is increased by heat exchange with the thermoelectric elements (12) and (13) to become hot water. Application
After being used as the heat source of (60), it is returned to the tank (62). As another example of the application, warm water can be temporarily stored and used for cooking, washing, bathing, and the like.

【0025】熱電モジュール(10)で発生した電力は、イ
ンバータ(48)で直流電力から交流電力へ変換され、冷却
用水を送給するためのポンプ(58)や、室内の暖房効率向
上のために設けられるファン(56)の動力源として利用さ
れる。この実施例についても、前記第1実施例と同じ様
に、排気管に、熱だまりの上流側と下流側に連通するバ
イパス管を設けると共に、該バイパス管に、排ガスの温
度に応じて開閉可能な弁装置を配備することにより、熱
電素子の過熱を確実に防止することができる。
The power generated by the thermoelectric module (10) is converted from DC power to AC power by an inverter (48), and a pump (58) for supplying cooling water, and a pump (58) for improving indoor heating efficiency. It is used as a power source for the fan (56) provided. Also in this embodiment, as in the first embodiment, the exhaust pipe is provided with a bypass pipe communicating with the upstream side and the downstream side of the heat reservoir, and the bypass pipe can be opened and closed according to the temperature of the exhaust gas. By disposing a suitable valve device, overheating of the thermoelectric element can be reliably prevented.

【0026】[0026]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、熱
源の温度が大きく変動するような条件下でも、熱電素子
を常時最大限の発電効率で作動させ、熱電素子の過熱に
よる劣化を防止できる。本発明は、工業炉、焼却炉、家
庭用ストーブ等の燃焼排ガス、自動車エンジンの排ガス
を熱源とする熱電発電システムに適用できる。例えば、
寒冷地におけるストーブの燃焼排ガスを熱源として使用
した場合、発生した電力は、インバータで交流電力に変
換し、室内に設置した暖房効率向上のためのファン回転
用、熱電モジュールを冷却するための水を送給するため
のポンプの駆動用として利用できる。また、熱電モジュ
ールとの熱交換によって昇温した冷却用の水は、床下暖
房、壁面暖房などの熱源として、また、炊事、洗濯、風
呂用の水として利用することができる。自動車エンジン
の排ガスを熱源として使用した場合、発電した電力をバ
ッテリの充電に利用することにより、バッテリの消耗を
防止することができる。また、負荷に必要な電力として
直接供給することもできる。
As described above, according to the present invention, the thermoelectric element is always operated at the maximum power generation efficiency even under the condition where the temperature of the heat source fluctuates greatly, and deterioration due to overheating of the thermoelectric element is prevented. Can be prevented. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a thermoelectric power generation system using combustion exhaust gas from an industrial furnace, an incinerator, a household stove, or the like, or exhaust gas from an automobile engine as a heat source. For example,
When the exhaust gas from a stove in a cold region is used as a heat source, the generated power is converted into AC power by an inverter, and water for cooling a thermoelectric module and for rotating a fan installed in a room to improve heating efficiency is improved. It can be used for driving a pump for feeding. The cooling water heated by the heat exchange with the thermoelectric module can be used as a heat source for underfloor heating, wall heating, and the like, and as water for cooking, washing, and bathing. When exhaust gas from an automobile engine is used as a heat source, the consumption of the battery can be prevented by using the generated power for charging the battery. Also, it can be directly supplied as necessary power to the load.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】熱電モジュールに熱だまりと冷却手段を設けた
構成例を一部分解して示す斜視図である。
FIG. 1 is a partially exploded perspective view showing a configuration example in which a heat reservoir and a cooling means are provided in a thermoelectric module.

【図2】熱電モジュールに熱だまりと冷却手段を設けた
他の構成例を一部分解して示す斜視図である。
FIG. 2 is a partially exploded perspective view showing another configuration example in which a heat reservoir and a cooling means are provided in a thermoelectric module.

【図3】本発明の熱電発電システムの一実施例を説明す
る模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating one embodiment of the thermoelectric power generation system of the present invention.

【図4】本発明の熱電発電システムの他の実施例を説明
する模式図である。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating another embodiment of the thermoelectric power generation system of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

(10) 熱電発電システム (20) 熱だまり (22) 熱媒オイル (24) バイパス管 (30) 排気管 (40) 放熱部材 (45) 吸熱部材 (10) Thermoelectric power generation system (20) Heat reservoir (22) Heat medium oil (24) Bypass pipe (30) Exhaust pipe (40) Heat radiating member (45) Heat absorbing member

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 p型熱電素子(12)とn型熱電素子(13)が
電気的に直列接続されてなる熱電モジュール(10)の一方
の側を、温度変動の大なる高温の排ガスが流れる排気管
(30)に対して熱交換可能に配備すると共に、前記熱電モ
ジュール(10)の他方の側を冷却手段に対して熱交換可能
に配備して、熱電素子(12)(13)に生じた温度差によって
発電を行なう熱電発電システムにおいて、排気管(30)と
熱電モジュール(10)との間に、排気管(30)から供給され
る熱量の変動の影響を小さくするための熱だまり(20)を
配備したことを特徴とする熱電発電システム。
1. A high temperature exhaust gas having a large temperature fluctuation flows through one side of a thermoelectric module (10) in which a p-type thermoelectric element (12) and an n-type thermoelectric element (13) are electrically connected in series. Exhaust pipe
(30) and heat-exchangeable, and the other side of the thermoelectric module (10) is heat-exchangeable with respect to the cooling means, and the temperature generated in the thermoelectric elements (12) and (13) In a thermoelectric power generation system that generates power by the difference, a heat reservoir (20) between the exhaust pipe (30) and the thermoelectric module (10) to reduce the effect of fluctuations in the amount of heat supplied from the exhaust pipe (30) The thermoelectric power generation system characterized by having deployed.
【請求項2】 熱だまり(20)は、比熱が0.2cal/K・g
以上の金属から作られている請求項1に記載の熱電発電
システム。
2. The heat pool (20) has a specific heat of 0.2 cal / K · g.
The thermoelectric power generation system according to claim 1, wherein the thermoelectric power generation system is made of the above metal.
【請求項3】 熱だまり(20)は、内部に熱媒オイルが収
容されている請求項1に記載の熱電発電システム。
3. The thermoelectric power generation system according to claim 1, wherein the heat reservoir (20) contains a heat medium oil therein.
【請求項4】 排気管(30)には、熱だまり(20)の上流側
と下流側に連通するバイパス管(24)が設けられ、該バイ
パス管には、排ガスの温度に応じて開閉可能な弁装置(2
6)が配備されている請求項1乃至請求項3の何れかに記
載の熱電発電システム。
4. An exhaust pipe (30) is provided with a bypass pipe (24) communicating with an upstream side and a downstream side of the heat reservoir (20), and the bypass pipe can be opened and closed according to the temperature of exhaust gas. Valve device (2
The thermoelectric power generation system according to any one of claims 1 to 3, wherein (6) is provided.
【請求項5】 排気管(30)は、自動車エンジン(32)の排
ガスが流れる排気管であり、冷却手段はフィン(42)を具
えた放熱部材(40)である請求項1乃至請求項4の何れか
に記載の熱電発電システム。
5. The exhaust pipe (30) is an exhaust pipe through which exhaust gas from an automobile engine (32) flows, and the cooling means is a heat radiating member (40) having fins (42). The thermoelectric power generation system according to any one of the above.
【請求項6】 排気管(30)は、ストーブ(33)の燃焼排ガ
スが流れる排気管であり、冷却手段は内部を水が流通す
る吸熱部材(45)であり、吸熱部材(45)を通過して昇温し
た水を、床下暖房、壁面暖房などのアプリケーション(6
0)に利用することを特徴とする請求項1乃至請求項4の
何れかに記載の熱電発電システム。
6. The exhaust pipe (30) is an exhaust pipe through which combustion exhaust gas from the stove (33) flows, and the cooling means is a heat absorbing member (45) through which water flows, and passes through the heat absorbing member (45). The heated water is used for applications such as underfloor heating and wall heating (6
The thermoelectric power generation system according to any one of claims 1 to 4, wherein the thermoelectric power generation system is used in (0).
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