JP2004023867A

JP2004023867A - Heat supply apparatus

Info

Publication number: JP2004023867A
Application number: JP2002174416A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Shindo; 新　藤　尊　彦; Hideyasu Ando; 安　藤　秀　泰; Akiko Suyama; 須　山　章　子; Yoshiyasu Ito; 伊　藤　義　康
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2004-01-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat supply apparatus for improving the energy efficiency. <P>SOLUTION: A heat supply apparatus 10 is provided with a power unit 1 and a heating/cooling unit 2. The power unit 1 is disposed between a heat source 5 and a power heat-radiation part 7, and provided with a power thermoelectric conversion element 30 provided with a power n-type thermoelectric conversion element 12 and a power p-type thermoelectric conversion element 11. The heating/cooling unit 2 is provided between a heat supply part 6 and the heating/cooling heat-radiation part 7, and comprises a heating/cooling thermoelectric conversion element part 31 provided with a heating/cooling n-type thermoelectric conversion element 22 and a heating/cooling p-type thermoelectric conversion element 21. The power thermoelectric conversion element part 30 of the power unit 1 is connected to the heating/cooling thermoelectric conversion element part 31 of the heating/cooling unit 2 using electric wires 3a and 3b. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電変換素子を用いた熱供給装置に係り、とりわけエネルギー効率を向上させることができる熱供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、物体の冷却においては水またはフロン等の冷媒の循環が用いられ、また物体の加熱においては抵抗発熱が用いられている。近年、冷却および加熱において高効率コンプレッサーまたはインバーターの適用化により、省エネルギー対策が図られている。しかしながら、高効率コンプレッサーまたはインバーターのいずれを用いても、冷却および加熱の動力源において多量の電気が消費され、電気価格の高額化へ繋がっている。
【０００３】
一方、次世代の低環境負荷型電源として、太陽電池を用いた太陽発電システム（特開２０００−１７４３０８，特開２０００−１７４３１７，特開２０００−１７４３１８）または燃料電池システム（特開２０００−１６４２３２，特開２０００−１６４２３１）が提案されている。しかしながら、太陽電池は日照条件により発電量が変動することから、電源部を外部に設置する必要が生じている。また燃料電池については、発電に水素の供給が必要であり、この水素が高価であることから、発電にコストがかかるという問題が生じている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、太陽電池および燃料電池システムのように、コストのかかる発電方法は知られている。しかしながら、温度差により電力を発生する熱電変換素子を用いた動力ユニットおよび加熱冷却ユニットを有し、低コスト化とエネルギー効率を同時に実現した熱供給装置は未だ十分に開発されていないのが実情である。
【０００５】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、外部からの電力の供給量を抑えてエネルギー効率を向上させることができる熱供給装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、動力用ｐ型熱電変換素子および動力用ｎ型熱電変換素子からなる動力用熱電変換素子部を有する動力ユニットと、
加熱冷却用ｐ型熱電変換素子および加熱冷却用ｎ型熱電変換素子からなる加熱冷却用熱電変換素子部を有する加熱冷却ユニットと、を備え、
前記動力用熱電変換素子部と、前記加熱冷却用熱電変換素子部との間を電気的に接続したことを特徴とする熱供給装置である。
【０００７】
本発明は、１つの前記動力ユニットに２つ以上の前記加熱冷却ユニットが並列に接続されていることを特徴とする熱供給装置である。
【０００８】
本発明は、１つの前記加熱冷却ユニットに２つ以上の前記動力ユニットが並列に接続されていることを特徴とする熱供給装置である。
【０００９】
本発明は、前記動力用熱電変換素子部と前記加熱冷却用熱電変換素子部との間を電気的に接続した部分に、電力を蓄電するバッテリを介在させたことを特徴とする熱供給装置である。
【００１０】
本発明は、前記動力ユニットに接合される熱源部は、前記動力用熱電変換素子部にこの動力用熱電変換素子部側の絶縁部と前記熱源部側の低融点合金材料または高熱電動材料からなる介在部材を介して接合されていることを特徴とする熱供給装置である。
【００１１】
本発明は、前記加熱冷却ユニットに接合される熱供給部は、前記加熱冷却用熱電変換素子部にこの加熱冷却用熱電変換素子部側の絶縁部と前記熱供給部側の低融点合金材料または高熱伝導材料からなる介在部材を介して接合されていることを特徴とする熱供給装置である。
【００１２】
本発明は、前記介在部材は、その厚さが２ｍｍ以下となっていることを特徴とする熱供給装置である。
【００１３】
本発明は、前記介在部材は、肉盛り、溶接、ハンダ、またはロウ付けにより形成されていることを特徴とする熱供給装置である。
【００１４】
本発明は、前記低融点合金材料は、錫・アンチモン系合金材料、アルミニウム系材料、銅・鉛合金系材料、カドミウム系材料、銅・カドミウム系合金材料、アルカリ硬化鉛系材料、亜鉛系材料および焼結含油系材料のうち少なくとも一つからなることを特徴とする熱供給装置である。
【００１５】
本発明は、前記高熱伝導材料は、銀、銅、アルミニウム、金、マグネシウム、モリブデンおよびタングステンのうち少なくとも一つからなることを特徴とする熱供給装置である。
【００１６】
本発明によれば、温度差が生じた場合に電力を発生する熱電変換素子を有する動力ユニットと、熱電変換素子を有し熱供給を行う加熱冷却ユニットとを電気的に接続する。このことにより、外部からの電力の供給を必要とせず、あるいは外部からの電力の供給量を削減しながら供給を行うことができ、これにより熱供給装置のエネルギー効率を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
第１の実施の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１乃至図９は本発明による熱供給装置の第１の実施形態を示す図である。
【００１８】
図１および図２に示すように熱供給装置１０は、動力ユニット１と、この動力ユニット１に電気的に接続された加熱冷却ユニット２とを備えている。このうち動力ユニット１は、動力用熱電変換素子部３０を有し、また、加熱冷却ユニット２は加熱冷却用熱電変換素子部３１を有している。さらに動力ユニット１には熱源部５と、放冷フィン７ａを有する動力用放熱部７とが接合され、加熱冷却ユニット２には熱供給部６と、放冷フィン１５ａを有する加熱冷却用放熱部１５とが接合されている。
【００１９】
次に、動力ユニット１および加熱冷却ユニット２について、更に詳述する。図１および図２に示すように、動力ユニット１の動力用熱電変換素子部３０は動力用ｐ型熱電変換素子１１と動力用ｎ型熱電変換素子１２とを有している。ｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２は、いずれもＢｉ−Ｔｅを主成分とする組成を有している。図１および図２において、ｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２が一対示されているが、実際は、動力用熱電変換素子部３０は複数対のｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２とからなっている。
【００２０】
また、ｐ型熱電変換素子１１の一端１１ａとｎ型熱電変換素子１２の一端１２ａは、電極部１３により互いに連通している。さらにｐ型熱電変換素子１１の他端１１ｂおよびｎ型熱電変換素子１２の他端１２ｂには、電極部１９ａ，１９ｂが各々連結されている。
【００２１】
また、ｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２とを連通する電極部１３は、動力用放熱部７に絶縁部１４ａを介して接合されている。一方、ｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２に取り付けられた電極部１９ａ，１９ｂは、絶縁部１４ｂを介して熱源部５に接合されている。
【００２２】
この場合、動力用熱電変換素子部３０の電極部１９ａ，１９ｂ側の絶縁部１４ｂは熱源部５に低融点合金材料からなる介在部材５ａを介して接合されている。このような低融点合金材料としては、錫（Ｓｎ）・アンチモン（Ｓｂ）系合金材料、アルミニウム（Ａｌ）系材料、銅（Ｃｕ）・鉛（Ｐｂ）系合金材料、カドミウム（Ｃｄ）系材料、銅（Ｃｕ）・カドミウム（Ｃｄ）系合金材料、アルカリ硬化鉛系材料、亜鉛（Ｚｎ）系材料、焼結含油系材料の１種類あるいは２種類以上からなるものが用いられる。
【００２３】
また、介在部材５ａは、ハンダ、肉盛り、溶接、またはロウ付け等により形成されるが、熱伝導性および経済性の観点からその厚みは２ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
なお、介在部材５ａは、低融点合金材料に代えて高熱伝導材料としても良い。このような高熱伝導材料としては、銀、銅、アルミニウム、金、マグネシウム、モリブデン、タングステン系材料の１種類あるいは２種類以上からなるものが用いられる。
【００２５】
次に加熱冷却ユニット２について説明する。この加熱冷却ユニット２は、動力ユニット１と略同様の構成を有している。すなわち、加熱冷却ユニット２の加熱冷却用熱電変換素子部３１は、加熱冷却用ｐ型熱電変換素子２１と加熱冷却用ｎ型熱電変換素子２２とを有している。
【００２６】
ｐ型熱電変換素子２１とｎ型熱電変換素子２２は、いずれもＢｉ−Ｔｅを主成分とする組成を有している。図１および図２において、一対のｐ型熱電変換素子２１およびとｎ型熱電変換素子２２が示されているが、実際は、加熱冷却用熱電変換素子部３１は複数対のｐ型熱電変換素子２１とｎ型熱電変換素子２２とからなっている。
【００２７】
またｐ型熱電変換素子２１の一端２１ａとｎ型熱電変換素子２２の一端２２ａは、電極部２３により互いに連通している。さらにｐ型熱電変換素子２１の他端２１ｂおよびｎ型熱電変換素子１２の他端２２ｂには、電極部２９ａ，２９ｂが各々連結されている。
【００２８】
またｐ型熱電変換素子２１とｎ型熱電変換素子２２とを連通する電極部２３は、加熱冷却用放熱部１５に絶縁部２４ａを介して接合されている。一方、ｐ型熱電変換素子２１とｎ型熱電変換素子２２に取付けられた電極部２９ａ，２９ｂは、絶縁部２４ｂを介して熱供給部６に接合されている。
【００２９】
この場合、加熱冷却用熱電変換素子３１の電極部２９ａ，２９ｂ側の絶縁部２４ｂは熱供給部６に低融点合金材料からなる介在部材６ａを介して接合されている。この低融点合金材料は、前述した動力ユニット１の低融点材料と同様の材料から選ばれた材料になっている。なお、介在部材６ａは、低融点合金材料に代えて前述した動力ユニット１の高熱伝導材料と同様な材料から選ばれた高熱伝導材料としても良い。また、この介在部材６ａは介在部材５ａと同様に、ハンダ、肉盛り、溶接またはロウ付け等により形成され、その厚みは２ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００３０】
このように構成された動力ユニット１と加熱冷却ユニット２とは、結線部４を有する電線３ａ，３ｂを介して互いに接続されている。すなわち、図１および図２に示すように、動力ユニット１の電極部１９ａと、加熱冷却ユニット２の電極部２９ｂとが電線３ａを介して接続され、動力ユニット１の電極部１９ｂと加熱冷却ユニット２の電極部２９ａとが電線３ｂを介して接続されている。
【００３１】
次にこのように構成からなる本実施例の作用について説明する。
【００３２】
まず動力ユニット１側において、ｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２は、熱源部５からの熱を吸収するとともに放冷フィン７ａを有する動力用放熱部７から熱を放熱し、熱源部５と動力用放熱部７との間の温度差に基づいてｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２により起電力が生じる（ゼーベック効果）。この場合、動力用放熱部７は放冷フィン７ａにより効率的に放熱することができ、このため、熱源部５と動力用放熱部７との間の温度差を大きく取ることができる。
【００３３】
動力ユニット１側において生じた起電力により、加熱冷却ユニット２に電圧が生じ、加熱冷却ユニット２のｐ型熱電変換素子２１とｎ型熱電変換素子２２の一端２１ａ，２２ａ側と他端２１ｂ，２２ｂ側との間に温度差が生じる（ペルチュ効果）。
【００３４】
本実施例においては、加熱冷却ユニット２側において、ｐ型熱電変換素子２１およびｎ型熱電変換素子２２の一端２１ａ，２２ａ側から加熱冷却用放熱部１５を介して放熱が行われ、ｐ型熱電変換素子２１およびｎ型熱電変換素子２２の他端２２ａ，２２ｂ側から熱供給部６に対して冷却を行うことができる。この場合、加熱冷却用放熱部１５は放冷フィン１５ａにより効率的に放熱することができ、加熱冷却用放熱部１５と熱供給部６との間の温度差を高めて熱供給部６に対して効率良く冷却を行うことができる。
【００３５】
本実施の形態によれば、動力ユニット１の熱源部５が約１ＫＷの熱源を有する場合、加熱冷却ユニット２の熱供給部６により約１０Ｗの冷却を外部からの電力なしに行うことができる。
【００３６】
次に図３により、熱源部５と動力ユニット１の絶縁部１４ｂとの間に低融点合金材料からなる介在部材５ａを設けるとともに、熱供給部６と加熱冷却ユニット２の絶縁部２４ｂとの間に低融点合金材料からなる介在部材６ａを設けた場合の作用効果について説明する。
【００３７】
本実施例において低融点合金材料からなる介在部材５ａ，６ａとして、錫・アンチモン系合金を用い、この低融点合金材料からなる介在部材５ａ，６ａをハンダによって形成した場合のエネルギー変換効率を求めた。
【００３８】
一方、比較例として、介在部材５ａ，６ａを設けることなく、接着剤を用いて熱源部５と動力ユニット１の絶縁部１４ｂとを接合するとともに、熱供給部６と加熱冷却ユニット２の絶縁部２４ｂとを接着剤により接合した場合のエネルギー変換効率を示す。
【００３９】
図３に示すように、比較例のエネルギー変換効率を１００％とした場合、本実施例によるエネルギー変換効率は、約１７０％となる。
【００４０】
次に図４により、熱源部５と動力ユニット１の絶縁部１４ｂとの間に高熱伝導材料からなる介在部材５ａを設けるとともに、熱供給部６と加熱冷却ユニット２の絶縁部２４ｂとの間に高熱伝導材料からなる介在部材６ａを設けた場合の作用効果について説明する。高熱伝導材料からなる介在部材５ａ，６ａとして銅系材料を用いハンダにより形成した場合のエネルギー変換効率を求めた。一方、比較例として接着剤を用いて熱源部５と動力ユニット１の絶縁部１４ｂとを接合するとともに、熱供給部６と加熱冷却ユニット２の絶縁部２４ｂとを接着剤により接合した場合のエネルギー変換効率を示す。
【００４１】
図４に示すように、比較例のエネルギー変換効率を１００％とした場合、本実施例によるエネルギー変換効率は約１８０％となる。
【００４２】
なお、動力ユニット１側の熱源部５は、熱源部５と動力用放熱部７との間で一定の温度差を生じさせるものであれば、加熱源であってもよく、また冷熱源であってもよい。また、上記実施の形態において、加熱冷却ユニット２側において、Ｐ型熱電変換素子２２により熱供給部６を冷却する例を示したが、動力ユニット１からの起電力によって発生する加熱冷却ユニット２の電圧の極性を変えることにより、熱供給部６を加熱することも可能である。このため熱供給部６において冷却および加熱のいずれも行うことができる。
【００４３】
さらに動力ユニット１において生じる起電力が不十分な場合は、外部電力を付加的に加熱冷却ユニット２に印加して加熱冷却ユニット２側の熱供給部６から安定した熱供給を行うこともできる。
【００４４】
また、上記実施の形態において、動力ユニット１側の動力用放熱部７が放冷フィン７ａを有し、加熱冷却ユニット２側の加熱冷却用放熱部１５が放冷フィン１５ａを有しており、これら放冷フィン７ａ，１５ａは銅、銅合金、銀または銀合金からなっている。これに対して、放熱フィン７ａ，１５ａの代わりに、銅、銅合金、銀または銀合金からなるブロック状の放熱要素を用いてもよい。
【００４５】
次に図５および図６により、動力ユニット１側の動力用放熱部７と加熱冷却ユニット２側の加熱冷却用放熱部１５の変形例について説明する。
【００４６】
図５に示すように、動力ユニット１側の動力用放熱部７は、入口部３５ａと出口部３５ｂとを有し、内部に冷媒が流れる冷媒ケース３５からなっている。冷媒は入口部３５ａから冷媒ケース３５内へ流入し、冷媒ケース３５ａを流れた後、出口部３５ｂから排出される。冷媒ケース３５内を流れる冷媒３６としては、水、油、シリコーン油等の流体冷媒が考えられ、また冷媒３６として空気、窒素等の気体冷媒を用いてもよい。
【００４７】
また加熱冷却ユニット２側の加熱冷却用放熱部１５も、図５に示す動力ユニット１側の動力用放熱部７と同様の構造を有している。
【００４８】
さらに、図６に示すように、動力ユニット１側の動力用冷却部７を内部に案内ガイド３６を有する密閉構造の冷媒ケース３５から構成してもよい。
【００４９】
冷媒ケース３５内の冷媒３６は、案内ガイド３５の外面に沿って冷媒ケース３５内を循環する。冷媒ケース３５内を循環する冷媒３６として、上述のように流体冷媒を用いてもよく、気体冷媒を用いてもよい。
【００５０】
また、加熱冷却ユニット２側の加熱冷却用放熱部１５も、図６に示す動力ユニット１側の動力用放熱部７と同様の構造をとることができる。
【００５１】
ところで、図７に示すように、動力ユニット１側の熱源部５から多量の熱を期待することができ、かつ複数の部位を冷却または加熱する場合、１つの動力ユニット１に対して２つ以上の加熱冷却ユニット２を並列に接続してもよい。
【００５２】
また図８に示すように、複数の部位から熱を得る場合、並列に配置された２つ以上の動力ユニット１に対して１つの加熱冷却ユニット２を接続してもよい。
【００５３】
さらに、並列に配置された２つ以上の動力ユニット１に対して、並列に配置された２つ以上の動力ユニット２を接続してもよい。
【００５４】
第２の実施の形態
次に図９により本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００５５】
図９に示す第２の実施の形態は、動力ユニット１と加熱冷却ユニット２とを接続する電線３ａ，３ｂにバッテリ２３を介在させたものであり、他の構成は図１および図２に示す実施の形態と略同一である。
【００５６】
図９において、図１および図２に示す実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５７】
図９において、バッテリ２３に制御装置２４が接続されている。図９に示すように、動力ユニット１において生じた電力は、バッテリ２３内に一時的に蓄電された後、加熱冷却ユニット２へ送られて加熱冷却ユニット２側の熱供給部６から必要な冷却または加熱作用が行われる。
【００５８】
図９において、動力ユニット１側の熱源部５の温度が安定しないために動力ユニット１において生じる電力量が不安定であっても、バッテリ２３から常時一定量の電力を安定して加熱冷却ユニット２側へ送ることができる。このため、加熱冷却ユニット２側の熱供給部６から冷却または加熱作用を安定して行うことができる。
【００５９】
さらに制御装置２４により、バッテリ２３を制御してバッテリ２３から必要な時に加熱冷却ユニット２側へ電力を供給したり、バッテリ２３からの電力量を適宜調整して加熱冷却ユニット２側の熱供給部６による冷却または加熱作用を調整することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、熱源部からの熱により起電力を生じさせる熱電変換素子を有する動力ユニットと、熱電変換素子を有する加熱冷却ユニットとを電気的に接続することにより、外部からの電力の供給を必要とせず、あるいは外部からの電力の供給量を削減しながら、加熱冷却ユニットにより、冷却または加熱作用を効率良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱供給装置の第１の実施の形態を示す全体構成図。
【図２】動力ユニットを示す図。
【図３】介在部材として低融点合金材料を用いた場合のエネルギー変換効率を示す図。
【図４】介在部材として高熱伝導材料を用いた場合のエネルギー変換効率を示す図。
【図５】動力ユニットの動力用熱放熱部の変形例を示す図。
【図６】動力ユニットの動力用熱放熱部の他の変形例を示す図。
【図７】１つの動力ユニットに対して２つの加熱冷却ユニットを接続した状態を示す図。
【図８】２つの動力ユニットに対して１つの加熱冷却ユニットを接続した状態を示す図。
【図９】本発明による熱供給装置の第２の実施の形態を示す全体構成図。
【符号の説明】
１　動力ユニット
２　加熱冷却ユニット
３ａ　電線
３ｂ　電線
５　熱源部
５ａ　介在部材
６　熱供給部
６ａ　介在部材
７　動力用放熱部
７ａ　放冷フィン
１０　熱供給装置
１１　動力用ｐ型熱電変換素子
１２　動力用ｎ型熱電変換素子
１５　加熱冷却用放熱部
１５ａ　放冷フィン
２１　加熱冷却用ｐ型熱電変換素子
２２　加熱冷却用ｎ型熱電変換素子
３０　動力用熱電変換素子部
３１　加熱冷却用熱電変換素子部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat supply device using a thermoelectric conversion element, and more particularly to a heat supply device capable of improving energy efficiency.
[0002]
[Prior art]
Generally, circulation of a coolant such as water or chlorofluorocarbon is used for cooling an object, and resistance heating is used for heating an object. In recent years, energy saving measures have been taken by applying a high-efficiency compressor or inverter in cooling and heating. However, regardless of whether a high-efficiency compressor or an inverter is used, a large amount of electricity is consumed in the power source for cooling and heating, leading to an increase in the price of electricity.
[0003]
On the other hand, a solar power generation system using a solar cell (JP-A-2000-174308, JP-A-2000-174317, JP-A-2000-174318) or a fuel cell system (JP-A-2000-164232, as a next-generation low environmental load type power supply) JP-A-2000-164231) has been proposed. However, since the amount of power generated by the solar cell varies depending on the sunshine conditions, it is necessary to provide a power supply unit outside. In addition, a fuel cell requires the supply of hydrogen for power generation, and since this hydrogen is expensive, there is a problem that power generation is costly.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As mentioned above, costly power generation methods are known, such as solar cells and fuel cell systems. However, a heat supply device that has a power unit and a heating / cooling unit using a thermoelectric conversion element that generates electric power due to a temperature difference, and achieves both cost reduction and energy efficiency at the same time has not yet been fully developed. is there.
[0005]
The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide a heat supply device capable of improving energy efficiency by suppressing an external power supply amount.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a power unit having a power thermoelectric conversion element unit including a power p-type thermoelectric conversion element and a power n-type thermoelectric conversion element,
A heating / cooling unit having a heating / cooling thermoelectric conversion element unit including a heating / cooling p-type thermoelectric conversion element and a heating / cooling n-type thermoelectric conversion element,
A heat supply device wherein the power thermoelectric conversion element and the heating / cooling thermoelectric conversion element are electrically connected.
[0007]
The present invention is the heat supply device, wherein two or more heating / cooling units are connected in parallel to one power unit.
[0008]
The present invention is the heat supply device, wherein two or more power units are connected in parallel to one heating / cooling unit.
[0009]
The present invention provides a heat supply device, characterized in that a battery for storing power is interposed at a portion where the thermoelectric conversion element for power and the thermoelectric conversion element for heating and cooling are electrically connected. is there.
[0010]
In the present invention, the heat source unit to be joined to the power unit includes the power thermoelectric conversion element unit made of an insulating part on the power thermoelectric conversion element side and a low melting point alloy material or a high thermal electric material on the heat source unit side. It is a heat supply device characterized by being joined via an intervening member.
[0011]
The present invention provides a heat supply unit joined to the heating / cooling unit, wherein the heating / cooling thermoelectric conversion element unit has a heating / cooling thermoelectric conversion element unit side insulating portion and the heat supply unit side low melting point alloy material or A heat supply device which is joined via an interposed member made of a high heat conductive material.
[0012]
The present invention is the heat supply device, wherein the interposed member has a thickness of 2 mm or less.
[0013]
The present invention is the heat supply device, wherein the intervening member is formed by overlaying, welding, soldering, or brazing.
[0014]
In the present invention, the low melting point alloy material includes a tin / antimony alloy material, an aluminum material, a copper / lead alloy material, a cadmium material, a copper / cadmium alloy material, an alkali-cured lead material, a zinc material, A heat supply device comprising at least one of a sintered oil-containing material.
[0015]
The present invention is the heat supply device, wherein the high heat conductive material is made of at least one of silver, copper, aluminum, gold, magnesium, molybdenum and tungsten.
[0016]
According to the present invention, a power unit having a thermoelectric conversion element that generates electric power when a temperature difference occurs, and a heating and cooling unit that has a thermoelectric conversion element and supplies heat are electrically connected. Thus, power can be supplied without requiring external power supply or while reducing the amount of external power supply, thereby improving the energy efficiency of the heat supply device.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First Embodiment Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 9 show a first embodiment of the heat supply device according to the present invention.
[0018]
As shown in FIGS. 1 and 2, the heat supply device 10 includes a power unit 1 and a heating / cooling unit 2 electrically connected to the power unit 1. The power unit 1 has a thermoelectric conversion element unit 30 for power, and the heating and cooling unit 2 has a thermoelectric conversion element unit 31 for heating and cooling. Further, the heat source unit 5 and the power radiating unit 7 having cooling fins 7a are joined to the power unit 1, and the heating and cooling unit 2 is connected to the heat supply unit 6 and the heating and cooling radiating unit having cooling fins 15a. 15 are joined.
[0019]
Next, the power unit 1 and the heating / cooling unit 2 will be described in more detail. As shown in FIGS. 1 and 2, the thermoelectric conversion element section 30 for power of the power unit 1 has a p-type thermoelectric conversion element 11 for power and an n-type thermoelectric conversion element 12 for power. Each of the p-type thermoelectric conversion element 11 and the n-type thermoelectric conversion element 12 has a composition containing Bi-Te as a main component. 1 and 2, a pair of the p-type thermoelectric conversion element 11 and the n-type thermoelectric conversion element 12 is shown, but in reality, the power thermoelectric conversion element section 30 includes a plurality of pairs of the p-type thermoelectric conversion element 11 and the n-type thermoelectric conversion element 11. And a thermoelectric conversion element 12.
[0020]
Further, one end 11 a of the p-type thermoelectric conversion element 11 and one end 12 a of the n-type thermoelectric conversion element 12 are connected to each other by an electrode portion 13. Further, electrode portions 19a and 19b are connected to the other end 11b of the p-type thermoelectric conversion element 11 and the other end 12b of the n-type thermoelectric conversion element 12, respectively.
[0021]
Further, an electrode portion 13 that connects the p-type thermoelectric conversion element 11 and the n-type thermoelectric conversion element 12 is joined to the power radiating portion 7 via an insulating portion 14a. On the other hand, the electrode portions 19a and 19b attached to the p-type thermoelectric conversion element 11 and the n-type thermoelectric conversion element 12 are joined to the heat source section 5 via an insulating section 14b.
[0022]
In this case, the insulating portion 14b of the power thermoelectric conversion element portion 30 on the side of the electrode portions 19a, 19b is joined to the heat source portion 5 via an intervening member 5a made of a low melting point alloy material. Such low melting point alloy materials include tin (Sn) / antimony (Sb) -based alloy materials, aluminum (Al) -based materials, copper (Cu) / lead (Pb) -based alloy materials, cadmium (Cd) -based materials, A material composed of one or more of a copper (Cu) / cadmium (Cd) -based alloy material, an alkali-cured lead-based material, a zinc (Zn) -based material, and a sintered oil-containing material is used.
[0023]
The interposition member 5a is formed by soldering, overlaying, welding, brazing, or the like, and preferably has a thickness of 2 mm or less from the viewpoint of thermal conductivity and economy.
[0024]
The interposed member 5a may be made of a high heat conductive material instead of the low melting point alloy material. As such a high heat conductive material, a material composed of one or more of silver, copper, aluminum, gold, magnesium, molybdenum, and tungsten-based materials is used.
[0025]
Next, the heating and cooling unit 2 will be described. The heating and cooling unit 2 has substantially the same configuration as the power unit 1. That is, the heating / cooling thermoelectric conversion element unit 31 of the heating / cooling unit 2 has the heating / cooling p-type thermoelectric conversion element 21 and the heating / cooling n-type thermoelectric conversion element 22.
[0026]
Each of the p-type thermoelectric conversion element 21 and the n-type thermoelectric conversion element 22 has a composition containing Bi-Te as a main component. Although a pair of p-type thermoelectric conversion elements 21 and an n-type thermoelectric conversion element 22 are shown in FIGS. 1 and 2, in practice, a plurality of pairs of p-type thermoelectric conversion elements 21 And an n-type thermoelectric conversion element 22.
[0027]
In addition, one end 21 a of the p-type thermoelectric conversion element 21 and one end 22 a of the n-type thermoelectric conversion element 22 communicate with each other through an electrode portion 23. Further, electrode portions 29a and 29b are connected to the other end 21b of the p-type thermoelectric conversion element 21 and the other end 22b of the n-type thermoelectric conversion element 12, respectively.
[0028]
Further, an electrode portion 23 that connects the p-type thermoelectric conversion element 21 and the n-type thermoelectric conversion element 22 is joined to the heating / cooling heat radiating portion 15 via an insulating portion 24a. On the other hand, the electrode portions 29a and 29b attached to the p-type thermoelectric conversion element 21 and the n-type thermoelectric conversion element 22 are joined to the heat supply section 6 via an insulating section 24b.
[0029]
In this case, the insulating portion 24b on the electrode portion 29a, 29b side of the thermoelectric conversion element 31 for heating and cooling is joined to the heat supply portion 6 via an intervening member 6a made of a low melting point alloy material. This low melting point alloy material is a material selected from the same materials as the low melting point material of the power unit 1 described above. It should be noted that the interposed member 6a may be made of a high heat conductive material selected from the same materials as the high heat conductive material of the power unit 1 described above, instead of the low melting point alloy material. Further, similarly to the intervening member 5a, the intervening member 6a is formed by soldering, overlaying, welding, brazing, or the like, and preferably has a thickness of 2 mm or less.
[0030]
The power unit 1 and the heating / cooling unit 2 configured as described above are connected to each other via electric wires 3a and 3b having connection portions 4. That is, as shown in FIGS. 1 and 2, the electrode portion 19a of the power unit 1 and the electrode portion 29b of the heating / cooling unit 2 are connected via the electric wire 3a, and the electrode portion 19b of the power unit 1 is connected to the heating / cooling unit. The two electrode portions 29a are connected via the electric wire 3b.
[0031]
Next, the operation of the present embodiment having such a configuration will be described.
[0032]
First, on the power unit 1 side, the p-type thermoelectric conversion element 11 and the n-type thermoelectric conversion element 12 absorb heat from the heat source section 5 and radiate heat from the power radiating section 7 having the cooling fins 7a. An electromotive force is generated by the p-type thermoelectric conversion element 11 and the n-type thermoelectric conversion element 12 based on the temperature difference between the section 5 and the power radiating section 7 (Seebeck effect). In this case, the power radiating portion 7 can efficiently radiate heat by the cooling fins 7a, so that a large temperature difference between the heat source portion 5 and the power radiating portion 7 can be obtained.
[0033]
A voltage is generated in the heating / cooling unit 2 by the electromotive force generated in the power unit 1 side, and one end 21a, 22a side and the other end 21b, 22b of the p-type thermoelectric conversion element 21 and the n-type thermoelectric conversion element 22 of the heating / cooling unit 2 There is a temperature difference between the sides (Peltu effect).
[0034]
In the present embodiment, on the heating / cooling unit 2 side, heat is radiated from the one end 21a, 22a side of the p-type thermoelectric conversion element 21 and the n-type thermoelectric conversion element 22 via the heating / cooling heat radiating section 15, and the p-type thermoelectric The heat supply unit 6 can be cooled from the other ends 22a and 22b of the conversion element 21 and the n-type thermoelectric conversion element 22. In this case, the heating / cooling heat radiating portion 15 can efficiently radiate heat by the cooling fins 15a, and the temperature difference between the heating / cooling heat radiating portion 15 and the heat supplying portion 6 is increased to increase the temperature of the heat supplying portion 6. Cooling can be performed efficiently.
[0035]
According to the present embodiment, when the heat source unit 5 of the power unit 1 has a heat source of about 1 kW, about 10 W of cooling can be performed by the heat supply unit 6 of the heating and cooling unit 2 without external power.
[0036]
Next, as shown in FIG. 3, an intervening member 5a made of a low-melting alloy material is provided between the heat source unit 5 and the insulating unit 14b of the power unit 1, and between the heat supply unit 6 and the insulating unit 24b of the heating / cooling unit 2. The operation and effect when the interposed member 6a made of a low melting point alloy material is provided in the first embodiment will be described.
[0037]
In the present embodiment, a tin-antimony alloy was used as the intervening members 5a and 6a made of the low melting point alloy material, and the energy conversion efficiency when the intervening members 5a and 6a made of the low melting point alloy material were formed by solder was determined. .
[0038]
On the other hand, as a comparative example, the heat source unit 5 and the insulating unit 14b of the power unit 1 are joined using an adhesive without providing the intervening members 5a and 6a, and the heat supplying unit 6 and the insulating unit of the heating / cooling unit 2 are connected. 24 shows the energy conversion efficiency when 24b is bonded with an adhesive.
[0039]
As shown in FIG. 3, assuming that the energy conversion efficiency of the comparative example is 100%, the energy conversion efficiency according to the present example is about 170%.
[0040]
Next, referring to FIG. 4, an intervening member 5a made of a high heat conductive material is provided between the heat source unit 5 and the insulating unit 14b of the power unit 1, and between the heat supply unit 6 and the insulating unit 24b of the heating and cooling unit 2. The operation and effect when the interposed member 6a made of a high heat conductive material is provided will be described. The energy conversion efficiency in the case where a copper-based material was used as the intervening members 5a and 6a made of a high heat conductive material and formed by soldering was obtained. On the other hand, as a comparative example, while the heat source unit 5 and the insulating unit 14b of the power unit 1 are joined using an adhesive, the energy when the heat supply unit 6 and the insulating unit 24b of the heating / cooling unit 2 are joined with the adhesive. The conversion efficiency is shown.
[0041]
As shown in FIG. 4, when the energy conversion efficiency of the comparative example is set to 100%, the energy conversion efficiency according to the present embodiment is about 180%.
[0042]
The heat source unit 5 on the power unit 1 side may be a heating source or a cold heat source as long as it generates a certain temperature difference between the heat source unit 5 and the power radiating unit 7. You may. In the above-described embodiment, an example in which the heat supply unit 6 is cooled by the P-type thermoelectric conversion element 22 on the heating / cooling unit 2 side has been described, but the heating / cooling unit 2 generated by the electromotive force from the power unit 1 The heat supply unit 6 can be heated by changing the polarity of the voltage. Therefore, both cooling and heating can be performed in the heat supply unit 6.
[0043]
Further, when the electromotive force generated in the power unit 1 is insufficient, external power can be additionally applied to the heating / cooling unit 2 to stably supply heat from the heat supply unit 6 on the heating / cooling unit 2 side.
[0044]
Further, in the above embodiment, the power radiating portion 7 on the power unit 1 side has the cooling fin 7a, and the heat radiating portion 15 on the heating and cooling unit 2 side has the cooling fin 15a. These cooling fins 7a and 15a are made of copper, copper alloy, silver or silver alloy. On the other hand, instead of the radiation fins 7a and 15a, a block-shaped radiation element made of copper, a copper alloy, silver or a silver alloy may be used.
[0045]
Next, modified examples of the power radiating portion 7 on the power unit 1 side and the heat radiating portion 15 for heating and cooling on the heating and cooling unit 2 side will be described with reference to FIGS.
[0046]
As shown in FIG. 5, the power radiator 7 on the power unit 1 side has an inlet portion 35a and an outlet portion 35b, and includes a refrigerant case 35 in which a refrigerant flows. The refrigerant flows into the refrigerant case 35 from the inlet 35a, flows through the refrigerant case 35a, and is discharged from the outlet 35b. The refrigerant 36 flowing through the refrigerant case 35 may be a fluid refrigerant such as water, oil, or silicone oil. The refrigerant 36 may be a gas refrigerant such as air or nitrogen.
[0047]
The heat radiating section 15 for heating and cooling on the side of the heating and cooling unit 2 also has the same structure as the heat radiating section 7 for power on the side of the power unit 1 shown in FIG.
[0048]
Further, as shown in FIG. 6, the power cooling unit 7 on the power unit 1 side may be configured by a refrigerant case 35 having a closed structure having a guide 36 inside.
[0049]
The refrigerant 36 in the refrigerant case 35 circulates in the refrigerant case 35 along the outer surface of the guide 35. As the refrigerant 36 circulating in the refrigerant case 35, a fluid refrigerant may be used as described above, or a gas refrigerant may be used.
[0050]
The heating / cooling heat radiating section 15 on the heating / cooling unit 2 side can also have the same structure as the power radiating section 7 on the power unit 1 side shown in FIG.
[0051]
By the way, as shown in FIG. 7, a large amount of heat can be expected from the heat source unit 5 on the power unit 1 side, and when cooling or heating a plurality of parts, two or more May be connected in parallel.
[0052]
As shown in FIG. 8, when heat is obtained from a plurality of parts, one heating / cooling unit 2 may be connected to two or more power units 1 arranged in parallel.
[0053]
Further, two or more power units 2 arranged in parallel may be connected to two or more power units 1 arranged in parallel.
[0054]
Second Embodiment Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0055]
In the second embodiment shown in FIG. 9, a battery 23 is interposed between electric wires 3a and 3b connecting the power unit 1 and the heating / cooling unit 2, and other configurations are shown in FIGS. This is almost the same as the embodiment.
[0056]
In FIG. 9, the same portions as those of the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0057]
In FIG. 9, a control device 24 is connected to a battery 23. As shown in FIG. 9, the electric power generated in the power unit 1 is temporarily stored in a battery 23, then sent to the heating / cooling unit 2, and required cooling from the heat supply unit 6 on the heating / cooling unit 2 side. Alternatively, a heating action is performed.
[0058]
In FIG. 9, even if the amount of power generated in the power unit 1 is unstable because the temperature of the heat source unit 5 on the power unit 1 side is not stable, a constant amount of power is constantly stably supplied from the battery 23 to the heating and cooling unit 2. Can be sent to the side. Therefore, the cooling or heating action can be stably performed from the heat supply unit 6 on the heating and cooling unit 2 side.
[0059]
Further, the control unit 24 controls the battery 23 to supply power from the battery 23 to the heating / cooling unit 2 when necessary, or to appropriately adjust the amount of power from the battery 23 to supply heat to the heating / cooling unit 2 side. 6, the cooling or heating action can be adjusted.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by electrically connecting a power unit having a thermoelectric conversion element that generates an electromotive force by heat from a heat source unit and a heating / cooling unit having a thermoelectric conversion element, from the outside The cooling or heating operation can be efficiently performed by the heating / cooling unit without requiring the supply of electric power or reducing the amount of electric power supplied from the outside.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a first embodiment of a heat supply device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a power unit.
FIG. 3 is a diagram showing energy conversion efficiency when a low melting point alloy material is used as an intervening member.
FIG. 4 is a diagram showing energy conversion efficiency when a high heat conductive material is used as an intervening member.
FIG. 5 is a view showing a modified example of the power heat radiator of the power unit.
FIG. 6 is a view showing another modification of the power heat radiator of the power unit.
FIG. 7 is a diagram showing a state in which two heating / cooling units are connected to one power unit.
FIG. 8 is a diagram showing a state in which one heating / cooling unit is connected to two power units.
FIG. 9 is an overall configuration diagram showing a heat supply device according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power unit 2 Heating / cooling unit 3a Electric wire 3b Electric wire 5 Heat source part 5a Interposed member 6 Heat supply part 6a Interposed member 7 Power radiating part 7a Cooling fin 10 Heat supply device 11 Power p-type thermoelectric conversion element 12 Power n-type Thermoelectric conversion element 15 Heat-cooling radiator 15a Cooling fin 21 Heat-cooling p-type thermoelectric conversion element 22 Heat-cooling n-type thermoelectric conversion element 30 Power thermoelectric conversion element section 31 Heat-cooling thermoelectric conversion element section

Claims

A power unit having a power thermoelectric conversion element unit including a power p-type thermoelectric conversion element and a power n-type thermoelectric conversion element;
A heating / cooling unit having a heating / cooling thermoelectric conversion element unit including a heating / cooling p-type thermoelectric conversion element and a heating / cooling n-type thermoelectric conversion element,
A heat supply device wherein the thermoelectric conversion element for power and the thermoelectric conversion element for heating and cooling are electrically connected.

The heat supply device according to claim 1, wherein two or more heating / cooling units are connected in parallel to one power unit.

The heat supply device according to claim 1, wherein two or more power units are connected in parallel to one heating / cooling unit.

2. The heat supply device according to claim 1, wherein a battery for storing electric power is interposed at a portion where the thermoelectric conversion element for power and the thermoelectric conversion element for heating and cooling are electrically connected. .

The heat source unit joined to the power unit is formed by interposing an insulating member on the power thermoelectric conversion element side and an interposed member made of a low melting point alloy material or a high heat conductive material on the heat source unit side. The heat supply device according to claim 1, wherein the heat supply device is joined by welding.

The heat supply unit to be joined to the heating / cooling unit, the heating / cooling thermoelectric conversion element unit includes a heating / cooling thermoelectric conversion element unit-side insulating unit and the heat supply unit-side low melting point alloy material or high heat conduction material. The heat supply device according to claim 1, wherein the heat supply device is joined through an intervening member.

7. The heat supply device according to claim 5, wherein the interposed member has a thickness of 2 mm or less. 8.

The heat supply device according to claim 5, wherein the intervening member is formed by overlaying, welding, soldering, or brazing.

The low melting point alloy material includes a tin / antimony alloy material, an aluminum material, a copper / lead alloy material, a cadmium material, a copper / cadmium alloy material, an alkali-cured lead material, a zinc material, and a sintered oil-impregnated material. 7. The heat supply device according to claim 5, wherein the heat supply device is made of at least one of materials.

The heat supply device according to claim 5, wherein the high heat conductive material is made of at least one of silver, copper, aluminum, gold, magnesium, molybdenum, and tungsten.