JP2004140202A - 熱電変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換素子内の熱流束を飛躍的に向上させ、高変換効率及び高発電密度の熱電変換システムを提供する。
【解決手段】微細加工により形成したマイクロチャンネル４ａ、５ａを流体の流路として有する超小型のマイクロチャンネル型熱交換器の間で複数の熱電変換素子１を挾持する一方、熱源が供給する高温ガスが供給されるマイクロチャンネル４を触媒燃焼器として機能させるとともに、マイクロチャンネル５を沸騰冷却器として機能させることにより前記熱電変換素子１の他端部を冷却することにより熱電変換素子１に発生する電流を取り出し得るように構成した。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱電変換システムに関し、特にゼーベック効果を利用して熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する場合に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱電変換素子は熱媒を用いずに熱を直接電気に変換することができるため、ポンプ等の可動部が不要であり、また変換素子の対をパイリングしていくことにより、システムの大きさによらず一定の効率を得ることができる。このことは、システムをモバイル用に小型化しても効率が下がらないことを意味している。
【０００３】
熱電変換システムに係る従来技術として下記の特許文献１に開示する技術を挙げることができる。特許文献１は、触媒燃焼熱を櫛形状フィンを介して熱電素子に供給し、他方、放熱部も同様にして櫛形状の放熱用アルミニュウム製フィン４を用い、ファン５を用いた空冷式の放熱部２で構成されたものである。この方式ではフィン型熱交換器と空冷式冷却のため、熱交換の効率は高くないことが容易に想像される。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−３２９０５８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く熱電変換素子は種々の優れた特徴を有しているが、従来技術に係る熱電変換素子を利用した熱電変換システムは、熱電変換素子の一端に高温の流体を単に吹き付け、また他端に低温の流体を単に吹き付ける方式によるか、又はせいぜいフィンを有する熱交換器で得る熱で熱電変換素子を加熱又は冷却する方式のものであったため、熱電変換素子の両端間の温度差を大きなものとすることができず、この結果熱電変換効率が低く、単位面積当たりの発電密度が小さいものとなっていた。
【０００６】
すなわち、熱電変換システムにおいて熱電変換効率を向上させるための要素は、熱電変換素子本体のゼーベック係数、熱伝導率等の材料特性と高温源、低温源の温度といった外的な加熱条件がある。これに対し、従来技術に係る熱電変換システムにおいて高変換効率を実現することができなかった最も重要な要因の一つが外的な加熱条件であり、通常の対流加熱では表面熱流速を大きくできないため、熱電変換素子内の移動熱流速を大きくできないこと、及び高低温の温度差を十分大きくすることができない点に起因していた。
【０００７】
本発明は、上記従来技術に鑑み、熱電変換素子内の熱流束を飛躍的に向上させ、高変換効率及び高発電密度の熱電変換システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の構成は次の点を特徴とする。
【０００９】
１）　微細加工により形成された相当直径がμｍオーダのチャンネル乃至ホールを流体の流路として有する超小型のマイクロチャンネル型熱交換器の間で複数の熱電変換素子を挾持する一方、
熱源が供給する高温ガスを一方のマイクロチャンネルに流通させて前記熱電変換素子の一端部を加熱するとともに、
他方のマイクロチャンネルに冷媒を流通させ、この他方のマイクロチャンネルを沸騰冷却器として機能させて前記熱電変換素子の他端部を冷却することにより熱電変換素子に発生する電流を取り出し得るように構成したこと。
【００１０】
２）　上記１）に記載する熱電変換システムにおいて、
熱源は、燃料ガスを供給する燃料源、燃料ガスと混合する燃焼空気を供給する空気供給手段及び一方のマイクロチャンネルの壁面に塗布した触媒を有しており、燃焼空気と混合した燃料ガスを前記一方のマイクロチャンネルに供給することによりこの一方のマイクロチャンネルを触媒燃焼器として機能させるようにしたものであること。
【００１１】
３）　上記１）に記載する熱電変換システムにおいて、
熱源は、燃料ガスを供給する燃料源、燃料ガスと混合する燃焼空気を供給する空気供給手段及び触媒燃焼器を有しており、燃焼空気と混合した燃料ガスを前記触媒燃焼器に供給することによりこの触媒燃焼器で燃焼して高温となった高温ガスを一方のマイクロチャンネルに供給するようにしたものであること。
【００１２】
４）　上記１）に記載する熱電変換システムにおいて、
熱源は、外部の熱システムであるトッピングサイクルの排熱エネルギーを利用するものであること。
【００１３】
５）　上記２）又は３）に記載する熱電変換システムにおいて、
一方のマイクロチャンネルの排気ガスにより空気供給手段から供給する燃焼空気を予熱する熱交換手段を有すること。
【００１４】
６）　〔請求項４〕に記載する熱電変換システムにおいて、
一方のマイクロチャンネルの排気ガスの熱を回収する熱回収手段を有すること。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１６】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換システムを示す図で、（ａ）はその全体のブロック図、（ｂ）はそのマイクロチャンネルと熱電素子との部分を抽出して示す断面図である。
【００１７】
両図に示すように、熱電変換部Ｉは、多数の熱電変換素子１の対をパイリングして構成したものであり、各熱電素子１の両端部の温度差に基いて発生する電流を取り出し得るように構成したものである。すなわち、図４に示すように、電気伝導度の高い半導体をｐ型とｎ型とに分け、その一端を接合し、他端を分岐端にして接合部を加熱すると、両方枝端に電流が発生する。そこで、両方枝端に負荷を接続すれば前記電流を外部に取り出すことができる。このときの、熱電変換効率は、材料　熱電性能指数と温度差（Ｔ_ｈ−Ｔ_ｃ）によって決まる。本形態では、かかるｐ型半導体とｎ型半導体との対を多数組パイリングして所定の電圧の電流を取り出し得るように構成してある。当該熱電変換部Ｉは、例えばコンバータ２に接続してある。このコンバータ２は、熱電変換部Ｉで得る直流電圧を所望の直流電圧に変換するものである。直流負荷に対してはコンバータ２の出力電流を直接供給することができるが、交流負荷に対しては、インバータ３で所望の交流電圧に変換して供給する。なお、図１は高温側（図の上側）及び低温側（図の下側）から電流を取り出すような図になっているが、これは当該熱電変換部Ｉの構造を模式的に示したためであり、実際は低温側の端子から取り出す構造となっている。
【００１８】
マイクロチャンネル４、５は、微細加工により形成された相当直径が、例えば１０〜５００μｍの多数のチャンネル乃至ホールを流体の流路として有する超小型の熱交換器で、熱伝導、物質伝達の能力及び単位体積当たりの表面積が非常に大きく、さらにこれらの相乗効果により単位体積当たりの熱移動量・物質移動量（反応速度）が非常に大きいという特徴を有するものである。かかるマイクロチャンネル４、５を熱交換器として使用する場合、プレートフィン熱交換器に較べ、熱交換性能を飛躍的に向上させることができる。
【００１９】
本形態に係るマイクロチャンネル４は、図１（ｂ）に明示するように、各チャンネル４ａの内周面に触媒４ｂを塗布してあり、高温流体の流通により触媒燃焼器として機能するように構成してある。ここで、マイクロチャンネル４には、燃料源であるガス（例えばブタンガス）ボンベ６から開閉弁７を介して供給する燃料ガスと、空気供給手段である燃焼空気ファン８を介して供給する燃焼用空気とを混合して供給する。かくして、マイクロチャンネル４は触媒燃焼器として機能し、熱電変換素子１の一端を加熱する。すなわち、本形態においては、ガスボンベ６、燃焼空気ファン８及び触媒４ｂで熱源を構成している。
【００２０】
本形態においては、触媒燃焼器として機能するマイクロチャンネル４の高温の排ガスが有する熱エネルギーを有効利用するため、この排ガスで燃焼空気ファン８から供給する燃焼空気を予熱するようになっている。すなわち、熱交換器９を有しており、この熱交換器９でマイクロチャンネル４の排ガスと、燃焼空気ファン８が供給する燃焼用空気との間で熱交換を行わせる。この結果、熱交換器９から排出される排ガスは、例えば６０°程度の低温ガスとなって外部に排出される。一方、燃焼空気ファン８から例えば２０°Ｃで吐出される燃焼空気は、熱交換器９で例えば４７０°Ｃ程度にまで予熱され、例えば２０°Ｃで供給される燃焼ガスと混合されてマイクロチャンネル４内で燃焼される。
【００２１】
ここで、熱交換器９はマイクロチャンネルで好適に構成することができる。勿論、従来知られている全ての熱交換器はこれに適用し得るが、これをマイクロチャンネルで構成した場合には、全体的な小型化を図り得るというメリットを得る。
【００２２】
マイクロチャンネル５は、その内部のチャンネル５ａ（図１（ｂ）参照。）を流通する冷媒の気化熱で熱電変換素子１の他端を冷却する沸騰冷却器として機能する。このため、本形態に係る熱電変換システムは、マイクロチャンネル５に冷媒を連続的に供給する冷媒循環系を有している。この冷媒循環系は、冷媒循環ポンプ１０、冷媒タンク１１、凝縮器１２及びマイクロチャンネル５で形成してあり、冷媒循環ポンプ１０で冷媒タンク１２から汲み上げた液状の冷媒を沸騰冷却器であるマイクロチャンネル５に供給し、さらにこのマイクロチャンネル５で蒸発した冷媒ガスを凝縮器１２で凝縮し、この結果液化した冷媒液を冷媒タンク１１に戻すようになっている。すなわち、例えば２０°Ｃで冷媒循環ポンプ１０から吐出された冷媒は、マイクロチャンネル５で蒸発して例えば４７°Ｃ程度にまで温度が上昇し、凝縮器１２で例えば２０°Ｃの冷却空気と熱交換して凝縮される。
【００２３】
このように本形態に係る熱電変換システムでは、熱電変換素子１の一端は触媒燃焼器として機能するマイクロチャンネル４に接触しており、また他端は沸騰冷却器として機能するマイクロチャンネル５に接触しているので、熱電変換素子１の一端には燃焼熱が高効率で伝達され、他端には冷媒の気化熱が高効率で伝達される。この結果、熱電変換素子１の両端の温度差を大きなものとしてその内部の熱流束を飛躍的に向上させることができる。
【００２４】
＜第２の実施の形態＞
図２は本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換システムを示す図で、（ａ）はその全体のブロック図、（ｂ）はそのマイクロチャンネルと熱電素子との部分を抽出して示す断面図である。
【００２５】
両図に示すように、本形態に係る熱電変換システムは、マイクロチャンネル１４の構造が異なる。マイクロチャンネル１４は、図１に示すマイクロチャンネル４の触媒４ｂを除去したものである。その代わりに本形態に係る熱電変換システムでは、マイクロチャンネル１４の上流側に触媒燃焼器１５を配設してある。そして、触媒燃焼器１５の上流側で燃焼空気と混合した燃料ガスを燃焼させ、高温にしてマイクロチャンネル１４に供給するにようになっている。ここで、触媒燃焼器１５はマイクロチャンネルで好適に構成することができる。
【００２６】
本形態に係る熱電変換システムの他の構成は図１に示す熱電変換システムと全く同様である。そこで、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２７】
本形態においては、ガスボンベ６、燃焼空気ファン８及び、触媒燃焼器１５で熱源を構成している。
【００２８】
本形態に係る熱電変換システムは、基本的に図１に示す熱電変換システムと同様に機能する。ただ、触媒燃焼器１５をマイクロチャンネル１４と独立させて設けたので、その分触媒４ｂの劣化に伴う保守・交換作業等を容易に行うことができる。
【００２９】
なお、上記第１及び第２の実施の形態において、熱交換器９は必ずしも必要はない。ただ、熱交換器９を設けた場合、マイクロチャンネル４、１４の排ガスが有する熱エネルギーを有効に回収して当該熱電変換システムの全体的なエネルギー効率の向上を図ることはできる。
【００３０】
＜第３の実施の形態＞
図３は本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換システムを示すブロック図である。同図に示すように、本形態に係る熱電変換システムは、熱源として外部の熱システムであるトッピングサイクル３１の排熱エネルギーを利用するものである。すなわち、トッピングサイクル３１から排出する高温ガスをマイクロチャンネル１４に供給するようになっている。したがって、熱電変換部１は図２に示す実施の形態と同様に機能する。
【００３１】
ここで、トッピングサイクル３１としては、ガスエンジン、デーゼルエンジン、マイクロガスタービン、ガスタービン、燃料電池、ボイラ、燃焼路及び焼却炉等が考えられ、これらの排ガスを有効に利用し得る。
【００３２】
さらに、本形態に係る熱電変換システムは、高温ガスを流通させるマイクロチャンネル１４の排気ガスの熱を回収する熱回収システム３２を有し、この熱回収システム３２で排ガスの熱エネルギーを可及的に回収した後、外部に排出するように構成してある。ここで、熱回収システム３２は、例えば排熱ボイラで好適に構成し得る。また、かかる排熱回収システム３２は必ずしも必要ではないが、これを設けることにより、当該熱電変換システムの総合的な熱効率を向上させ得る点については論をまたない。
【００３３】
なお、図３中、図１乃至図２と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００３４】
上述の如く、第１乃至第３の実施の形態でそれぞれ熱源を開示したが、本発明における熱源をこれらに限定する必要はない。要は、マイクロチャンネル４、１４に高温のガスを供給し得るものであれば特別な限定はない。すなわち、マイクロチャンネル４、１４で熱電変換部Ｉの一方を加熱し、マイクロチャンネル５で前記熱電変換部Ｉの他方を冷却する構造となっていれば、本発明の技術思想の範囲に含まれる。
【００３５】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに具体的に説明した通り、〔請求項１〕に記載する発明は、微細加工により形成された相当直径がμｍオーダのチャンネル乃至ホールを流体の流路として有する超小型のマイクロチャンネル型熱交換器の間で複数の熱電変換素子を挾持する一方、
熱源が供給する高温ガスを一方のマイクロチャンネルに流通させて前記熱電変換素子の一端部を加熱するとともに、
他方のマイクロチャンネルに冷媒を流通させ、この他方のマイクロチャンネルを沸騰冷却器として機能させて前記熱電変換素子の他端部を冷却することにより熱電変換素子に発生する電流を取り出し得るように構成したので、
熱電変換素子の一端には燃焼熱が高効率で伝達され、他端には冷媒の気化熱が高効率で伝達される。かくして、熱電変換素子の両端の温度差を大きなものとしてその内部の熱流束を飛躍的に向上させることができる。
この結果、本発明によれば、高効率及び高発電密度の熱電変換システムを実現し得る。また、マイクロチャンネルを用いて十分な小型化を図り得るので、例えばモバイル用の電源として最適なものとなる。
【００３６】
〔請求項２〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載する熱電変換システムにおいて、
熱源は、燃料ガスを供給する燃料源、燃料ガスと混合する燃焼空気を供給する空気供給手段及び一方のマイクロチャンネルの壁面に塗布した触媒を有しており、燃焼空気と混合した燃料ガスを前記一方のマイクロチャンネルに供給することによりこの一方のマイクロチャンネルを触媒燃焼器として機能させるようにしたものであるので、
〔請求項１〕に記載する発明と同様の作用・効果を得ることができるばかりでなく、特に触媒燃焼器として機能するマイクロチャンネルにより容易に所定の高温ガスが得られこの燃焼ガスの温度を殆どロスすることなく熱電変換部に伝達することができ、極めて効率の良い加熱を実現し得る。
【００３７】
〔請求項３〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載する熱電変換システムにおいて、
熱源は、燃料ガスを供給する燃料源、燃料ガスと混合する燃焼空気を供給する空気供給手段及び触媒燃焼器を有しており、燃焼空気と混合した燃料ガスを前記触媒燃焼器に供給することによりこの触媒燃焼器で燃焼して高温となった高温ガスを一方のマイクロチャンネルに供給するようにしたものであるので、
〔請求項２〕に記載する発明と同様の作用・効果を得ることができるばかりでなく、〔請求項２〕に記載する発明よりも触媒の劣化に伴う保守・交換作業等を容易に行うことができるという効果を奏する。
【００３８】
〔請求項４〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載する熱電変換システムにおいて、
熱源は、外部の熱システムであるトッピングサイクルの排熱エネルギーを利用するものであるので、
〔請求項１〕に記載する発明と同様の作用・効果を得るばかりでなく、外部の熱サイクルの排熱を有効利用することができるので、当該熱サイクルとコンバインドしたシステムとしての総合的な熱効率を向上させることができる。
【００３９】
〔請求項５〕に記載する発明は、〔請求項２〕又は〔請求項３〕に記載する熱電変換システムにおいて、
一方のマイクロチャンネルの排気ガスにより空気供給手段から供給する燃焼空気を予熱する熱交換手段を有するので、
〔請求項２〕又は〔請求項３〕に記載する発明の作用・効果に加え、マイクロチャンネルの排ガスが有する熱エネルギーを有効に回収して当該熱電変換システムの全体的なエネルギー効率の向上を図ることができる。
【００４０】
〔請求項６〕に記載する発明は、〔請求項４〕に記載する熱電変換システムにおいて、
一方のマイクロチャンネルの排気ガスの熱を回収する熱回収手段を有するので、
〔請求項６〕に記載する発明と同様の作用・効果を得るばかりでなく、外部の熱サイクルとコンバインドしたシステムとしての総合的な熱効率をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換システムを示す図で、（ａ）はその全体のブロック図、（ｂ）はそのマイクロチャンネルと熱電素子との部分を抽出して示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換システムを示す図で、（ａ）はその全体のブロック図、（ｂ）はそのマイクロチャンネルと熱電素子との部分を抽出して示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換装置を示すブロック図である。
【図４】ゼーベック効果を利用した熱電変換素子の原理を説明するための説明図である。
【符号の説明】
Ｉ　　　　熱電変換部
ＩＩ　　　　熱電変換部
１　　　　熱電変換素子
４　　　　マイクロチャンネル
４ａ　　　　チャンネル
４ｂ　　　　触媒
５　　　　マイクロチャンネル
６　　　　ガスボンベ
８　　　　燃焼空気ファン
９　　　　熱交換器
１４　　　　マイクロチャンネル
３１　　　　トッピングサイクル
３２　　　　熱回収システム

Claims (6)

1. 微細加工により形成された相当直径がμｍオーダのチャンネル乃至ホールを流体の流路として有する超小型のマイクロチャンネル型熱交換器の間で複数の熱電変換素子を挾持する一方、
   熱源が供給する高温ガスを一方のマイクロチャンネルに流通させて前記熱電変換素子の一端部を加熱するとともに、
   他方のマイクロチャンネルに冷媒を流通させ、この他方のマイクロチャンネルを沸騰冷却器として機能させて前記熱電変換素子の他端部を冷却することにより熱電変換素子に発生する電流を取り出し得るように構成したことを特徴とする熱電変換システム。
2. 〔請求項１〕に記載する熱電変換システムにおいて、
   熱源は、燃料ガスを供給する燃料源、燃料ガスと混合する燃焼空気を供給する空気供給手段及び一方のマイクロチャンネルの壁面に塗布した触媒を有しており、燃焼空気と混合した燃料ガスを前記一方のマイクロチャンネルに供給することによりこの一方のマイクロチャンネルを触媒燃焼器として機能させるようにしたものであることを特徴とする熱電変換システム。
3. 〔請求項１〕に記載する熱電変換システムにおいて、
   熱源は、燃料ガスを供給する燃料源、燃料ガスと混合する燃焼空気を供給する空気供給手段及び触媒燃焼器を有しており、燃焼空気と混合した燃料ガスを前記触媒燃焼器に供給することによりこの触媒燃焼器で燃焼して高温となった高温ガスを一方のマイクロチャンネルに供給するようにしたものであることを特徴とする熱電変換システム。
4. 〔請求項１〕に記載する熱電変換システムにおいて、
   熱源は、外部の熱システムであるトッピングサイクルの排熱エネルギーを利用するものであることを特徴とする熱電変換システム。
5. 〔請求項２〕又は〔請求項３〕に記載する熱電変換システムにおいて、
   一方のマイクロチャンネルの排気ガスにより空気供給手段から供給する燃焼空気を予熱する熱交換手段を有することを特徴とする熱電変換システム。
6. 〔請求項４〕に記載する熱電変換システムにおいて、
   一方のマイクロチャンネルの排気ガスの熱を回収する熱回収手段を有することを特徴とする熱電変換システム。

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