JP2007019260A - 熱電変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】変圧器の排熱を利用して効率よく発電することができる熱電変換システムを提供する。
【解決手段】本発明に係る熱電変換システム１０は、熱電変換モジュール１１と、この熱電変換モジュール１１を冷却する冷却源である放熱フィン２１と、前記熱電変換モジュール１１を加熱する熱源となる変圧器３０とを有し、前記熱電変換モジュール１１は、低温端面を前記冷却源である放熱フィン２１に密着させ、高温端面を前記変圧器３０のタンク３２のタンク壁面３１に密着させたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱電効果を有する熱電変換モジュールを用いて、変圧器の排熱の熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する熱電変換システムに関するものである。

民生および産業の分野から発生する未利用熱エネルギーを利用して発電を行う熱電変換システムは、太陽光を利用して発電を行う太陽光発電システムとは異なり、太陽光の利用ができない夜間においても、熱源さえあれば発電を行うことができる。このため、主として省エネルギーの観点から、その普及が期待されている。

熱電変換モジュールは、一般に、Ｐ型素子（Ｐ型半導体）およびＮ型素子（Ｎ型半導体）が、電極を介してセラミックス基板（絶縁板）に挟まれた構造をもつ。Ｐ型素子およびＮ型素子を、金属部材からなる電極を介して交互に接合することにより、Ｐ型素子とＮ型素子とのＰＮ素子対（ＰＮ半導体対）を形成する。熱電変換モジュール全体は、多数のＰＮ素子対が接続されており、ＰＮ素子対の始点および終点にはリード線が接続される。

熱電変換モジュールが有する二枚のセラミックス基板のうち一枚（以下、低温端面という）を冷却水などで冷やし、反対側のもう一枚（以下、高温端面という）に熱を加えると、低温側電極と高温側電極の間に起電力が発生して電流が流れる。すなわち、熱電変換モジュールの両側に温度差を与えるように熱電変換システムを構築することにより、熱電変換モジュールから電力を取り出すことができる。

従来、この種の熱電変換システムに、特許第３５６４２７４号公報（特許文献１）および特開平１０−１９００７３号公報（特許文献２）に開示されたものがある。

特許第３５６４２７４号公報（特許文献１）に記載された排熱発電装置は、熱電変換モジュールを用いて、自動車のエンジンなどから排出される排ガスの排熱を回収して電力に変換する車載用の装置である。この排熱発電装置の熱電変換システムは、自動車の排熱を熱電変換モジュールの高温端面の熱源とし、自動車の走行風によって熱電変換モジュールの低温端面を空冷するようになっている。熱電変換モジュールの高温端面と低温端面との間に生じた温度勾配に応じて、熱起電力が発生して発電される。このように構成された熱電変換システムにおいては、自動車が走行中であれば、高温端面には常に排ガスの排熱が供給され、かつ、低温端面側は走行風によって常に冷却されるので、効率よく発電させることが可能である。

特開平１０−１９００７３号公報（特許文献２）に記載された炉壁用熱電変換装置は、焼却炉や溶融炉などの高温炉の炉壁に熱電変換モジュールを取り付けて発電を行うことができる装置である。この炉壁用熱電変換装置の熱電変換モジュールは、複数層の耐火物により構成された高温炉の炉壁の外装部分に埋め込まれている。この熱電変換モジュールは、高温端面を外層よりも内側の層の耐火物に密着させることで炉内の熱を効率よく受け取り、低温端面を冷却ジャケットに密着させて外気によって冷却する。熱電変換モジュールの高温端面と低温端面との間に生じた温度勾配に応じて、熱起電力が発生して発電される。このように構成された熱電変換システムにおいては、焼却炉や溶融炉などの高温炉の炉壁温度が５００℃〜１０００℃の高温で、外気温度が１００℃程度であれば、熱電変換モジュールが十分な温度差を得ることができるので、特別な低温端面側の冷却装置がなくても効率よく発電させることが可能である。
特許第３５６４２７４号公報 特開平１０−１９００７３号公報

一般に、工場やビルの変電所などで使用されている変圧器は、電力用油入変圧器やガス絶縁変圧器などの比較的大型の変圧器である。変圧器は、鉄心と二つ又は三つ以上の巻線とを有し、かつそれらが相互に位置を変えない装置で、一つ又は二つ以上の回路から交流電力を受け、電磁誘導作用により電圧及び電流を変成して、他の一つ又は二つ以上の回路に同一周波数の交流電力を供給するもので、大型の変圧器では１００００ＫＶＡ級の容量のものがある。

変圧器は、交流電圧を変換するための鉄心や巻線などが入っているタンクと、タンク内の巻線及び鉄心で発生した損失熱を冷却するためのラジエータで構成されており、ラジエータはラジエータ用ファンによって空冷されている。

一般に、変圧器の変換効率を９９．５％とした場合、残りの０．５％は排熱として外部に放出されている。その時の変圧器のタンク壁面の温度は、２５℃〜１５０℃になっている。この変圧器の排熱を利用して発電を行う熱電変換システムはまだ開発されていない。

特許第３５６４２７４号公報（特許文献１）に記載されている排ガスの排熱を利用した車載用の排熱発電装置および特開平１０−１９００７３号公報（特許文献２）に記載されている焼却炉や溶融炉などの高温炉の炉壁温度を利用した炉壁用発電装置においては、熱電変換モジュールの高温端面が受け取る排熱の温度が５００℃〜１０００℃の高温であるのに対し、変圧器のタンク壁面から放熱される排熱温度は、２５℃〜１５０℃と比較的低温であり、熱電変換モジュールの高温端面と低温端面との間に温度勾配を大きくとれない。変圧器の排熱を利用して熱電変換モジュールの高温端面と低温端面との間に温度勾配を生じさせることは、低温端面を特別な冷却装置などを使って冷却しなければ困難であり、変圧器の排熱を利用しても効率よく発電することができないという問題があった。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、変圧器の排熱を利用して効率よく発電することができる熱電変換システムを提供することを目的とする。

本発明に係る熱電変換システムは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールを冷却する冷却源と、前記熱電変換モジュールを加熱する熱源となる変圧器とを有し、前記熱電変換モジュールは、低温端面を前記冷却源に密着させ、高温端面を前記変圧器のタンクに密着させたものである。

本発明に係る熱電変換システムは、変圧器の排熱を利用して効率よく発電することができる。

本発明に係る熱電変換システムの実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る熱電変換システムの第１実施形態を示す簡略的な全体構成図である。

この熱電変換システム１０は、熱電変換部２０と、変圧器３０と、空冷部４０とを備える。

熱電変換部２０は、図２に示したように、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換可能な熱電変換モジュール１１と、放熱フィン２１とを備える。放熱フィン２１は、熱電変換モジュール１１を挟んでタンク壁面３１に固定ボルト２５などの固定手段で固定される。

変圧器３０は、図１および図３に示したように、タンク壁面３１をもつタンク３２と、変圧器３０を冷却するラジエータ３３と、ラジエータ用ファン３４とを備える。

空冷部４０は、図１に示したように、熱電変換部２０とラジエータ３３の下流側とを接続するダクト４０ａと、排気口４０ｂと、吸気口４０ｃと、排気ファン４０ｄで構成される。ダクト４０ａは、排気口４０ｂ側（下流側）に排気ファン４０ｄが設けられ、この排気ファン４０ｄでダクト４０ａ内を強制的に送風するようになっている。

変圧器３０のタンク３２は、素材に鉄が用いられたボックス状のタンク壁面３１で囲まれている。このタンク壁面３１の厚さは大型の変圧器で１０〜３０ｍｍである。タンク３２の内部には、交流電圧を変成するための鉄心３６および巻線３７からなるトランス３５が複数台設置されている。変圧器３０を冷却するラジエータ３３の下部には、ラジエータ３３を空冷するためのラジエータ用ファン３４が取り付けられる。ラジエータ３３の上部には、排気口４０ｂが設けられ、排気口４０ｂはダクト４０ａの下流側と連結される。ダクト４０ａの下流側には排気ファン４０ｄが設けられる。一般にラジエータ１台にラジエータ用ファンが１台備えられる。

熱電変換部２０に用いられる熱電変換モジュール１１は、図４に示したように、Ｐ型半導体１２とＮ型半導体１３を交互に接合する電極１４を覆うようにセラミックス基板１５で挟んだ構造をもつ。Ｐ型半導体１２およびＮ型半導体１３は、金属部材である電極１４を介して交互に接合することにより、ＰＮ半導体対を形成する。ＰＮ半導体対の始点と終点にはリード線１６が接続される。熱電変換モジュール１１の大きさは、たとえば６０ｍｍ×６０ｍｍを基本サイズとし、タンク壁面３１への取り付け面積にあわせて複数個を連結する。

熱電変換モジュール１１を構成するセラミックス基板１５は、熱電変換モジュール１１と熱電変換モジュール１１の熱源となるタンク壁面３１との密着面と、熱電変換モジュール１１と熱電変換モジュール１１の冷却源となる放熱フィン２１のベース板２３との密着面を備える。したがって、セラミックス基板１５の材料には、密着面での熱抵抗を減らすことのできる素材、たとえばアルミナなどの、熱伝導率が高く絶縁性の高いものを用いる。さらに、密着面での熱抵抗を極力なくすように、密着面にグリースなどを塗布する。

ダクト４０ａは、熱電変換モジュール１１と放熱フィン２１をそれぞれ収容し、放熱フィン２１の周囲および先端に密着するように備え付けられる。ダクト４０ａは、排気口４０ｂとの連結端とは反対の端に吸気口４０ｃを備える。

熱電変換モジュール１１と放熱フィン２１のベース板２３との互いに向き合う面は、形状はどちらも同じであるが、面積はベース板２３の方が熱電変換モジュール１１よりも若干大きく形成される事が望ましい。

放熱フィン２１は、図５に示したように、金属平板であるフィン２２をベース板２３の上に一列あるいは複数列に列状に立てて並べた構造をもつ。フィン２２は一定の間隔をもって、フィン２２の最も広い面（放熱面）の法線方向（以下、林立方向という）に並べる。林立方向は、フィン２２を通る風の方向（図５（ａ）および（ｄ）の紙面垂直方向）と直交するため、Ｌ／Ｔが１０／１０未満だと通気抵抗が大きくなり、かつ放熱フィン２１全体の重量増加をまねいてしまう。また、Ｌ／Ｔが１０／３以上だと、放熱効果が小さくなってしまう。したがってこの比Ｌ／Ｔは１０／１０〜１０／３であることが望ましい。図５（ｄ）には、フィン２２の設置間隔（ピッチ）Ｌとフィン２２の厚みＴの比Ｌ／Ｔが、フィン２２の林立方向において、３／２である例を示した。

また、放熱フィン２１をタンク壁面３１に固定ボルト２５で固定する際に必要であるボルト穴２４は、放熱フィン２１のベース板２３の四隅（隅角部）ではなく、辺の中央部分４箇所に空けられる。

放熱フィン２１の素材は、アルミニウムを用いるが、アルミニウム以外に、銅や銀など熱伝導性に優れた材料が用いられる場合もある。

固定ボルト２５は、熱電変換モジュール１１よりも低い熱伝導率を有する素材で構成される。図６は、金属およびＦＲＰ樹脂の熱伝導率を示したものである。金属ではなく樹脂（たとえばＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓなどの、熱伝導率が熱電変換モジュール１１よりも低い素材のもの）を用い、特に熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以下のものを用いる。

空冷部４０のダクト４０ａは、放熱フィン２１と同等以上の熱伝導率を有する素材で構成される。たとえば放熱フィン２１の素材がアルミの場合、ダクト４０ａの素材にはアルミや銅などを用いる（図６参照）。ダクト４０ａの素材として、金属や樹脂など様々な素材を用いることが可能だが、タンク壁面３１の熱で変形しない素材を選ぶ。

放熱フィン２１が、固定ボルト２５を用いて熱電変換モジュール１１をタンク壁面３１に押し付ける面圧は、１ＭＰａ以上で放熱フィン２１が変形しない程度が望ましい。

次に、熱電変換システム１０の作用を説明する。

図１に示された熱電変換システム１０を用いて変圧器３０の排熱を利用して効率よく電力を得るために、熱電変換モジュール１１を変圧器３０のタンク壁面３１と放熱フィン２１で挟み、互いに密着させる。

タンク壁面３１は熱電変換モジュール１１の熱源となる。

たとえば電力用油入変圧器などは、変圧器３０のタンク３２内に絶縁油が満たされている。タンク３２内に収容されたトランス３５が作動し、鉄心３６及び巻線３７で損失熱が発生すると、トランス３５周辺の絶縁油が熱を帯びる。この絶縁油はラジエータ３３に導かれる。ラジエータ３３内の金属配管を通る間にラジエータ用ファン３４から送られた空気に冷却された絶縁油は、再びタンク３２内へと循環してトランス３５を冷却しトランス３５の熱暴走を防ぐ。この循環サイクルを繰り返すと、タンク３２のタンク壁面３１にトランス３５で発生した熱が伝わり、タンク壁面３１の壁面温度は２５℃〜１５０℃になる。この変圧器３０からの排熱が熱電変換モジュール１１の熱源として利用される。

放熱フィン２１は次のステップで熱電変換モジュール１１を冷却する。

ラジエータ用ファン３４は、ラジエータ３３をラジエータ３３の下部から空冷する。ラジエータ用ファン３４から強制的に送られる空気は、ラジエータ３３を通り排気口４０ｂから排気される。排気口４０ｂはダクト４０ａと連結されているため、排気口４０ｂからの排気に吸引されて吸気口４０ｃからダクト４０ａに外気が流入する。排気ファン４０ｄもこの外気流入を助ける。この吸引された空気が放熱フィン２１を空冷する。この空冷される放熱フィン２１によって、熱電変換モジュール１１の低温端面が冷却される。

熱電変換システム１０の熱電変換モジュール１１は、タンク壁面３１との密着面が高温端面、放熱フィン２１との密着面が低温端面として動作する。熱電変換モジュール１１の高温端面はタンク壁面３１から熱を受けとり、かつ低温端面は放熱フィン２１に冷却されるため、高温端面と低温端面との間に温度勾配がつく。この温度勾配により、熱電変換モジュール１１は、変圧器３０の排熱の熱エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を得る事が可能となる。

この熱電変換システム１０によれば、変圧器３０に付属している既存の設備を利用して、熱電変換モジュール１１の高温端面と低温端面との間に温度勾配を生じさせ、変圧器３０の排熱から効率よく、安価な運転コストで電力を得ることができる。

この熱電変換システム１０では、熱電変換の結果、タンク壁面３１の熱が回収されるので、熱電変換モジュール１１が密着しているタンク壁面３１を介してタンク３２を冷却することができる。

この熱電変換システム１０では、固定ボルト２５が、熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以下と、熱電変換モジュール１１よりも熱伝導率が低い素材で構成されており、変圧器３０のタンク壁面３１からの熱が、固定ボルト２５を経由して直接放熱フィン２１に伝達されることを避けることができる。したがって、変圧器３０のタンク壁面３１の排熱を熱電変換モジュール１１に効率よく伝えることができる。

この熱電変換システム１０によれば、フィン２２の設置間隔Ｌと厚みＴの比Ｌ／Ｔが１０／１０〜１０／３に設定されているので、風の通気抵抗を増加することなく放熱効果を向上させることができる。ラジエータ用ファン３４の排気を利用してダクト４０ａに風を送り込む場合、風速が２．０ｍ／ｓ以上であれば、熱電変換モジュール１１の高温端面と低温端面との間に効率よく温度勾配を与えることが可能である。

この熱電変換システム１０によれば、熱電変換モジュール１１を冷却源である放熱フィン２１と熱源である変圧器３０のタンク壁面３１とで挟んで固定するための固定ボルト２５は、放熱フィン２１のベース板２３の辺の４箇所以上で固定するため、放熱フィン２１の角を固定するよりも高い面圧力で固定することが可能である。

図７は、図１に示された熱電変換システム１０の発電量を、熱電変換システム１０に用いられる熱電変換モジュール１１の受ける面圧の関数で示したグラフである。

図７において、面圧が１ＭＰａ以下の領域では、熱電変換モジュール１１と放熱フィン２１を熱源部である変圧器３０のタンク壁面３１に固定する際の発電量は、面圧に比例する。この領域では面圧が高くなり密着力が高くなると、タンク壁面３１から熱電変換モジュール１１へ熱が伝わりやすくなるため発電量が増える。面圧が１ＭＰａを超えると発電量が飽和する。さらに面圧が高くなるにつれ、放熱フィン２１が変形し熱電変換モジュール１１と放熱フィン２１との密着面間に隙間ができ、この隙間で熱抵抗が増すため発電量が低下していく。

したがって、熱電変換モジュール１１と放熱フィン２１をタンク壁面３１に固定するときの面圧は、１ＭＰａ以上で放熱フィン２１が変形しない程度が望ましい。

たとえば、アルミ製の放熱フィン２１でベース板２３の厚さがたとえば１０ｍｍのプレートを使用した場合、面圧が１ＭＰａ〜１．５ＭＰａであれば変圧器３０のタンク壁面３１と熱電変換モジュール１１間および熱電変換モジュール１１と放熱フィン２１間の密着性が最もよく、各々の接合部での熱抵抗を最小限に抑えることができる。

また、この熱電変換システム１０は、放熱フィン２１に風を送るための空冷部４０のダクト４０ａが、放熱フィン２１と同等以上の熱伝導率を有する素材で構成される。このため、放熱フィン２１を覆っているダクト４０ａにも熱電変換モジュール１１の熱が伝わる。したがって、ダクト４０ａからも熱電変換モジュール１１の熱を放出することができ、熱電変換部２０の冷却性能が向上する。

なお、上述のごとき熱電変換システム１０は、一般に工場やビルの主変電所などで使用されている電力用油入変圧器やガス絶縁変圧器などの比較的大型の変圧器でラジエータ（放熱器）が備え付けられているものを対象とした熱電変換システムであるが、この熱電変換システム１０は変圧器３０が家庭や車載用などの比較的小型の変圧器でも適用することが可能であることに注意すべきである。その場合、熱電変換部２０および空冷部４０の大きさは異なるが、原理はまったく同じである。

次に、図８に図１に示した熱電変換システム１０に用いられるダクト４０ａの第１変形例を示す。

図８においては、放熱フィン２１に風を送るためのダクト４０ａは、放熱フィン２１のベース板２３の対面から吸気する。また、ベース板２３の面方向でフィン２２を通る風の方向と平行方向の放熱フィン２１の両端面から排気する構造になっている。

放熱フィン２１は、熱電変換モジュール１１から伝わる熱を放熱する。複数個の熱電変換モジュール１１を、フィン２２を通る風の方向と平行方向に直列に並べた場合、風は、風上のフィン２２の放熱を蓄積しながら風下に向かって流れていくため、風下になるにつれてフィン２２に当たる風の温度が上昇する。すると風下では風上に比べ、放熱フィン２１が熱電モジュール１１を冷却しづらくなり、風上に比べて熱電変換モジュール１１の高温端面と低温端面との温度差が小さくなる。したがって風下では変換効率が低くなり発電しにくくなってしまう。

図８に示す実施形態の構成によれば、図１に示す例のような、ダクト４０ａの一方向から吸気して一方向に排気する構成のものと比べて、放熱フィン２１に風が均一に当たりやすいので、熱電変換モジュール１１全体で高温端面と低温端面との間に効率よく温度勾配を与えることが可能である。

次に、図９に図５に示した熱電変換システム１０に用いられる放熱フィン２１の第１変形例を示す。

図９に示すように、放熱フィン２１は、形状がコルゲートタイプのフィン２２で構成される。

コルゲートタイプのフィン２２を有する放熱フィン２１の場合、フィン２２の設置間隔Ｌと厚みＴの比Ｌ／Ｔが１０／１０未満では通気抵抗が大きくなり、かつ放熱フィン２１全体の重量増加をまねく。Ｌ／Ｔが１０／１を超えると、放熱効果を向上させる効果が小さくなってしまう。したがってこの比Ｌ／Ｔは、１０／１０〜１０／１とすることが望ましい。図５（ｄ）には、コルゲートタイプのフィン２２の設置間隔Ｌとフィン２２の厚みＴの比Ｌ／Ｔが、フィン２２の林立方向において、５／１に設置された例を示した。

図９に示す実施形態の構成によれば、コルゲートタイプのフィン２２を有する放熱フィン２１では放熱フィン２１の周囲を囲むようにフィン２２が形成されているため、放熱フィン２１全体を覆うようなダクト４０ａを設ける必要がない。また、通常の放熱フィン２１に比べて冷却性能が高く、フィン２２の高さを低くすることができる。したがって、熱電変換システム１０をコンパクト化および軽量化することができる。

次に、図１０に図５に示した熱電変換システム１０に用いられる放熱フィン２１の第２変形例を示す。

図１０に示すように、放熱フィン２１のベース板２３の大きさは、フィン２２の林立面の縦の長さが１６０ｍｍ〜２００ｍｍで横の長さが２４０ｍｍ〜３００ｍｍとする。ただし、縦の長さ方向はフィン２２を通過する風の方向とする。この放熱フィン２１を用いることにより、一つの放熱フィン２１で複数の熱電変換モジュール１１の低温端面に密着させることができる。たとえばベース板２３の縦の長さが１６０ｍｍ〜２００ｍｍであれば、一般に使用されている縦の長さが６０ｍｍで横の長さが６０ｍｍの熱電変換モジュール１１を２個並べて固定ボルト２５で固定する。また、ベース板２３の横の長さが２４０ｍｍ〜３００ｍｍであれば、一般に使用されている縦の長さが６０ｍｍで横の長さが６０ｍｍの熱電変換モジュール１１を３個並べて固定ボルト２５で固定する。

なお、フィン２２の設置間隔Ｌと厚みＴの比Ｌ／Ｔは、図５に示した第１実施形態の放熱フィン２１と同じ、３／２に設置されている。フィンの設置間隔Ｌと厚みＴの比Ｌ／Ｔは、１０／１０〜１０／３とすることが好ましく、Ｌ／Ｔが１０／３を超えると、放熱効果を向上させる効果が小さいため好ましくない。また、Ｌ／Ｔが１０／１０未満では通気抵抗が大きくなったり、放熱フィン全体の重量が増加したりして好ましくない。また、放熱フィン２１のベース板２３の辺の部分４箇所には、タンク壁面３１に固定する際の固定ボルト２５の穴が開けられている。この固定ボルト２５の穴は、放熱フィン２１のベース板２３の角の部分に開けて固定ボルト２５で固定するよりも、高い面圧力で固定することができる。

図１０に示す実施形態の構成によれば、６個以上の熱電変換モジュール１１を用いて熱電変換システム１０を構築したときに、ラジエータ用ファン３４の排気を利用してダクト４０ａに風を送り込む風速が２．０ｍ／ｓ以上であれば、熱電変換モジュール１１の高温端面と低温端面との間に効率よく温度勾配を与えることが可能である。また、冷却源である放熱フィン２１のサイズを大きくして、熱源であるタンク壁面３１に取り付ける熱電変換モジュール１１の数を多くすることで、たとえば６個毎であれば取り付けおよび取り外しの作業が容易になり、メンテナンスに必要とする時間を短縮することができる。

次に、図１１に図１に示した熱電変換システム１０に用いられる熱電変換モジュール１１の第１変形例を示す。

図１１に示すように、熱電変換モジュール１１の厚さを均一にする。たとえば、基準となる熱電変換モジュール１１の厚さＤが５ｍｍの場合は、他のすべての熱電変換モジュール１１の厚さＤが５ｍｍ±０．００５ｍｍの範囲内になるようにする。

厚さＤと誤差Ｅの比Ｄ／Ｅが１０００／１以上の場合、複数ある熱電変換モジュール１１の厚さのばらつきが大きく次のような問題が起きる。

厚さＤが厚い熱電変換モジュール１１は、熱電変換モジュール１１と冷却源である放熱フィン２１との密着および熱電変換モジュール１１と熱源であるタンク壁面３１との密着がよくなり熱抵抗が減少する。一方、厚さＤが薄いモジュールの部分は、熱電変換モジュール１１と冷却源である放熱フィン２１との密着および熱電変換モジュール１１と熱源であるタンク壁面３１との密着が悪くなって熱抵抗が増加する。したがって、密着のよい、厚い熱電モジュール１１に熱流が偏ってしまい、熱電変換システム１０の発電効率が悪くなる。

したがって、厚さＤと誤差Ｅの比Ｄ／Ｅは、１０００／１未満にすることが好ましい。

図１１に示す実施形態の構成によれば、熱源である変圧器３０のタンク壁面３１の表面が平らで、かつ冷却源である放熱フィン２１のベース板２３の表面が平らな場合、複数の熱電変換モジュール１１をひとつの放熱フィン２１で固定するにあたり、熱電変換モジュール１１の厚さを均一にすることで複数個の熱電変換モジュール１１に熱流を均等に伝えることが可能になる。したがって、熱電変換システム１０の発電効率を向上させることができる。

次に、図１２に図１に示した熱電変換システム１０に用いられる熱電変換モジュール１１の第２変形例を示す。

図１２に示すように、熱電変換モジュール１１は、面積を極力大きくした熱電変換モジュール１１を使用する。縦の長さと横の長さが放熱フィン２１のベース板２３のサイズと同じで、ひとつの放熱フィン２１にひとつの熱電変換モジュール１１を取り付ける。一般に、縦の長さが６０ｍｍで横の長さも６０ｍｍの熱電変換モジュールなどが市販されているが、タンク壁面３１など熱源の面積が広い場所に熱電変換モジュール１１を取り付ける場合は、熱電変換モジュール１１の第１変形例に示したような厚さの不均一性による問題が発生する。そこで、面積を極力大きくした熱電変換モジュール１１を使用することで、一つの放熱フィンに一つの熱電変換モジュール１１が取り付け可能になる。

図１２に示す実施形態の構成によれば、熱電変換モジュール１１の１個あたりの面積を広くすることで、一つの放熱フィン２１に一つの熱電変換モジュール１１が取り付けられる。したがって、熱電変換モジュール１１の第１変形例に示したような、厚さの不均一性に起因する問題を回避することができ、面積が小さい複数個のモジュールを使用する時よりも熱電変換システム１０の発電効率を向上することができる。

本発明に係る熱電変換システムの第１実施形態を示す全体構成図。 図１のＩＩ―ＩＩ線に沿う平面において切断した平断面図。 図１に示された熱電変換システムに用いられる変圧器を示す概観図。 図１に示された熱電変換システムに用いられる熱電変換モジュールを一部破断して内部構造を示す斜視図。 （ａ），（ｂ）および（ｃ）は図１に示された熱電変換システムに用いられる放熱フィンをそれぞれ示す正面図、平面図および側面図、ならびに（ｄ）は図５（ａ）のＡ部を拡大して示す図。 図１における放熱フィンついて、材料と熱伝導率の関係を示した図。 図１に示された熱電変換システムの発電量を、熱電変換システムに用いられる熱電変換モジュールの受ける面圧の関数で示したグラフ。 図１におけるダクト４０ａの第１変形例を示す斜視図。 （ａ），（ｂ）および（ｃ）は図１における放熱フィンの第１変形例をそれぞれ示す正面図、平面図および側面図、ならびに（ｄ）は図９（ａ）のＢ部を拡大して示す図。 （ａ），（ｂ）および（ｃ）は図１における放熱フィンの第２変形例をそれぞれ示す正面図、平面図および側面図、ならびに（ｄ）は図１０（ａ）のＣ部を拡大して示す図。 図１における熱電変換モジュールの第１変形例を示す概観図。 図１における熱電変換モジュールの第２変形例を示す分解斜視図。

符号の説明

１０ 熱電変換システム
１１ 熱電変換モジュール
１２ Ｐ型半導体
１３ Ｎ型半導体
１４ 電極
１５ セラミックス基板
１６ リード線
２０ 熱電変換部
２１ 放熱フィン
２２ フィン
２３ ベース板
２４ ボルト穴
２５ 固定ボルト
３０ 変圧器
３１ タンク壁面
３２ タンク
３３ ラジエータ
３４ ラジエータ用ファン
３５ トランス
３６ 鉄心
３７ 巻線
４０ 空冷部
４０ａ ダクト
４０ｂ 排気口
４０ｃ 吸気口
４０ｄ 排気ファン

Claims (12)

1. 熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換可能な熱電変換モジュールと、
   この熱電変換モジュールを冷却する冷却源と、
   前記熱電変換モジュールを加熱する熱源となる変圧器とを有し、
   前記熱電変換モジュールは、低温端面を前記冷却源に密着させ、高温端面を前記変圧器のタンクに密着させたことを特徴とする熱電変換システム。
2. 前記冷却源は、ダクト内で空冷される放熱フィンであり、変圧器のラジエータ用ファンの排気を利用して外気をダクト内に吸引可能に構成した請求項１記載の熱電変換システム。
3. 前記熱電変換モジュールと前記放熱フィンを変圧器のタンク壁面に固定手段で固定し、この固定手段は熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以下である請求項１記載の熱電変換システム。
4. 前記放熱フィンは、この放熱フィンを構成するフィンの最も広い面の法線方向における、このフィンの設置間隔と厚みの比を１０／１０〜１０／３に構成した請求項１記載の熱電変換システム。
5. 前記固定手段を前記放熱フィンの角を除く辺の部分に４ヶ所以上設置した請求項１記載の熱電変換システム。
6. 前記熱電変換モジュールと前記放熱フィンを、熱源である変圧器のタンク壁面に固定するときの面圧は、１ＭＰａ以上である請求項１記載の熱電変換システム。
7. 前記ダクトの素材を、熱伝導率が前記放熱フィンと同等以上になるように選んだ請求項１記載の熱電変換システム。
8. 前記ダクトは、前記放熱フィンのベース板対面から吸気し、前記放熱フィンの側面から排気する請求項１記載の熱電変換システム。
9. 前記放熱フィンは、フィンの形状がコルゲートタイプである請求項１記載の熱電変換システム。
10. 前記放熱フィンは、ベース板のフィンが林立する面の縦の長さが１６０ｍｍ〜２００ｍｍで横の長さが２４０ｍｍ〜３００ｍｍとし、１個の前記放熱フィンで複数の前記熱電変換モジュールの低温端面に密着可能とした請求項１記載の熱電変換システム。
11. 前記熱電変換モジュールは、前記高温端面と前記低温端面の距離である前記熱電変換モジュールの厚さが複数の前記熱電変換モジュールで均一であり、厚さと製作誤差の比が１０００／１未満である請求項１記載の熱電変換システム。
12. 前記熱電変換モジュールは、前記低温端面の形状および面積が前記放熱フィンのベース板の形状および面積とそれぞれ同じで、１個の前記放熱フィンに１個の前記熱電変換モジュールを取り付け可能とした請求項１記載の熱電変換システム。

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