JP2009087955A - Waste heat recovery system having thermoelectric conversion system - Google Patents

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健一朗 中島
Nobuhiro Wakabayashi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To consume energy efficiently as much as possible by converting waste heat directly into electricity using a thermoelectric conversion system. <P>SOLUTION: A waste heat recovery system having the thermoelectric conversion system comprises a means for supplying power by the thermoelectric conversion system, and a means for utilizing heat released from the thermoelectric conversion system. The heat released from the thermoelectric conversion system is utilized for heating, defrosting, defogging, heat insulation of fuel heat insulation of an internal combustion engine, heat insulation of a fuel cell, and the like. The waste heat recovery system is mounted on a vehicle, an incinerator, a fuel cell, an industrial machine, and the like. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、廃熱を熱電変換システムにより電気に変換し、さらに温水を得て暖房、霜取りなどに使用する、廃熱回収システムに関する。   The present invention relates to a waste heat recovery system that converts waste heat into electricity by a thermoelectric conversion system, and obtains hot water for use in heating, defrosting, and the like.

近年、環境意識の高まりと化石燃料枯渇への有効な手段として、熱電変換システムを用いて廃熱を電気に直接変換して可能な限りエネルギーを効率よく消費することが求められている。   In recent years, as an effective means for increasing environmental awareness and fossil fuel depletion, it has been demanded to efficiently consume energy as much as possible by directly converting waste heat into electricity using a thermoelectric conversion system.

例えば、自動車であれば燃料のエネルギーのうち走行に使用されるエネルギーはわずか15%程度であり、電気として10%、他はラジエーター、排ガスおよびエンジン筐体などから熱として大気中に放出されている。   For example, in the case of automobiles, only 15% of the fuel energy is used for driving, 10% is used as electricity, and the other is released into the atmosphere as heat from radiators, exhaust gas, and engine casings. .

燃料のエネルギーを有効に使用して低燃費化を図るために、ハイブリット車が普及し始めているが、装備品が多く特殊な車となっているため普及は限定的となると思われ、省エネルギー化への寄与も限られる。   Hybrid vehicles have begun to spread in order to use fuel energy effectively to reduce fuel consumption. However, because there are many equipments and special vehicles, the spread is likely to be limited. The contribution of is also limited.

省エネルギー化への最も効果的な施策は、現在広く普及しているガソリン車あるいはディーゼル車の燃料を有効に使用することであり、そのためには、廃熱を回収して電気に変換し、発電のために消費されている燃料を削減することが有効である。   The most effective measure for energy saving is to effectively use the fuel of gasoline cars or diesel cars that are currently widely used. For this purpose, waste heat is recovered and converted into electricity, Therefore, it is effective to reduce the fuel consumed.

廃熱を回収する方法としては複数の方法が考案されており、中でも廃ガスを利用してピストンを駆動させてエネルギーを回収する、スターリングエンジンでは高効率にエネルギー回収が可能なことが知られている。   Several methods have been devised for recovering waste heat. Among them, it is known that a Stirling engine that recovers energy by driving a piston using waste gas can recover energy with high efficiency. Yes.

熱電変換システムは駆動部分が無いこと、温度差が生じれば直ちに発電可能なこと、構造がシンプルであるなど実用化を念頭に置いた場合の利点が挙げられており、自動車への搭載を念頭に置いた研究開発が進められている。   The thermoelectric conversion system has advantages such as having no drive part, being able to generate electricity immediately if a temperature difference occurs, and having a simple structure, so that it can be used in automobiles. Research and development is underway.

特開2004−36499公報JP 2004-36499 A 特開2004−76046公報JP 2004-76046 A 梶川武信ら 編、リアライズ社、熱電変換システム技術総覧(2004)Edited by Takenobu Kajikawa et al., Realize, Thermoelectric conversion system technology overview (2004)

従来の熱電変換システムでは、熱電モジュール全体の過熱防止のために放熱用熱交換器を採用していたが、それらの熱は利用されることなく、廃熱として大気中に放出されていた。
従来の熱電材料は、排ガスの熱を有効に変換するためには性能が低く十分な効果が得られない欠点があったため、高効率熱電変換の実現のためには、新たな材料の開発が必要であり、さらには実用化に際しての高性能素子の量産技術開発が必要とされていた。
In a conventional thermoelectric conversion system, a heat exchanger for heat radiation is employed to prevent overheating of the entire thermoelectric module. However, such heat is not used but is released into the atmosphere as waste heat.
Conventional thermoelectric materials have the drawback of not being able to obtain sufficient effects due to their low performance for effectively converting the heat of exhaust gas, so new materials need to be developed to achieve high-efficiency thermoelectric conversion. Furthermore, development of mass production technology for high-performance devices was required for practical use.

また、熱電素子が熱応力によって電極と剥離し、導通不良を生じるため、信頼性向上が必要とされていた。   In addition, since the thermoelectric element peels off from the electrode due to thermal stress and poor conduction occurs, it is necessary to improve reliability.

本発明は上記の知見に基づきなされたもので、以下の各発明を含む。
(1)熱電変換システムを有する廃熱回収システムであって、熱電変換システムにより電力を供給する手段と、熱電変換システムから放出される熱を利用する手段とを有する、廃熱回収システム。
(2)熱電変換システムから放出される熱が、暖房、霜取り、曇り止め、燃料の保温、内燃機関の保温、燃料電池の保温からなる群より選ばれる1種以上に利用される(1)に記載の廃熱回収システム。
(3)熱電変換システムが、粒子径200μm以下の結晶から構成される焼結体を熱電発電素子として用いている(1)または(2)に記載の廃熱回収システム。
(4)熱電発電素子が、急冷凝固法により作製された合金を粉砕、焼結して得られたものである(3)に記載の廃熱回収システム。
(5)熱電発電素子が、ハーフホイスラー構造、ホイスラー構造、フィルドスクッテルダイト構造、スクッテルダイト構造からなる群から選ばれる1種以上の結晶を含んでいる(3)乃至(5)のいずれか1つに記載の廃熱回収システム。
(6)廃熱回収システムが、車載用である(1)乃至(5)のいずれか1つに記載の廃熱回収システム。
(7)(1)乃至(5)のいずれか1つに記載の廃熱回収システムを搭載した車。
(8)(1)乃至(5)のいずれか1つに記載の廃熱回収システムを搭載した燃料電池システム。
(9)(1)乃至(5)のいずれか1つに記載の廃熱回収システムを搭載した焼却炉。
(10)(1)乃至(5)のいずれか1つに記載の廃熱回収システムを搭載した産業用機械。
The present invention has been made based on the above findings and includes the following inventions.
(1) A waste heat recovery system having a thermoelectric conversion system, comprising: means for supplying electric power by the thermoelectric conversion system; and means for using heat released from the thermoelectric conversion system.
(2) The heat released from the thermoelectric conversion system is used for (1) one or more selected from the group consisting of heating, defrosting, anti-fogging, fuel insulation, internal combustion engine insulation, and fuel cell insulation. The waste heat recovery system described.
(3) The waste heat recovery system according to (1) or (2), wherein the thermoelectric conversion system uses a sintered body composed of crystals having a particle size of 200 μm or less as a thermoelectric power generation element.
(4) The waste heat recovery system according to (3), wherein the thermoelectric power generation element is obtained by pulverizing and sintering an alloy produced by a rapid solidification method.
(5) The thermoelectric power generation element includes one or more kinds of crystals selected from the group consisting of a half-Heusler structure, a Heusler structure, a filled skutterudite structure, and a skutterudite structure, and any one of (3) to (5) The waste heat recovery system according to one.
(6) The waste heat recovery system according to any one of (1) to (5), wherein the waste heat recovery system is for vehicle use.
(7) A vehicle equipped with the waste heat recovery system according to any one of (1) to (5).
(8) A fuel cell system equipped with the waste heat recovery system according to any one of (1) to (5).
(9) An incinerator equipped with the waste heat recovery system according to any one of (1) to (5).
(10) An industrial machine equipped with the waste heat recovery system according to any one of (1) to (5).

本発明の好ましい実施態様によれば、最高950℃にもおよぶ高温の排ガスからセラミックス製の熱交換器で熱を回収して熱電変換モジュールに熱を供給する一方で、低温側には冷却水を循環させて熱電変換モジュールから放出される熱を回収して大きな熱勾配を与えることができるために、大きな電力を得ることができる。 According to a preferred embodiment of the present invention, heat is recovered from a high-temperature exhaust gas of up to 950 ° C. by a ceramic heat exchanger and supplied to the thermoelectric conversion module, while cooling water is supplied to the low temperature side. Since the heat released from the thermoelectric conversion module can be recovered and given a large thermal gradient, a large electric power can be obtained.

冷却水に回収された熱は暖房用熱源あるいは冬期の曇り止め、霜取り用の熱源として使用できるためさらなる省エネルギー効果が期待できる。   Since the heat recovered in the cooling water can be used as a heat source for heating or as a heat source for defrosting and defrosting in winter, further energy saving effect can be expected.

本システムで回収された温水は、暖房や霜取り、曇り止めなどに限定されず、エンジンや燃料の温度制御についても用いることができるため、さらなる低燃費が期待できる。
本システムを応用することで、各種エネルギーを効率よく利用できるシステムが確立できる。
The hot water collected by the present system is not limited to heating, defrosting, anti-fogging, etc., and can be used for engine and fuel temperature control, so that further low fuel consumption can be expected.
By applying this system, a system that can efficiently use various types of energy can be established.

本発明の好ましい実施態様においては、熱電変換ユニットはバッテリーチャージ配線を介してバッテリーと接続されており、発電によって得られた電力はバッテリーに充電される。 In a preferred embodiment of the present invention, the thermoelectric conversion unit is connected to the battery via the battery charge wiring, and the electric power obtained by the power generation is charged in the battery.

例えば、車載型熱電変換ユニットの場合、低温側は冷却系配管を介してラジエーターおよび空調ユニット、エンジンと接続され、エンジンから排出された排ガスによって高温になった熱電発電ユニットの高温部と温度差を強制的に生じさせることができる。例えば、排ガスとしてキャタライザー通過後の600℃程度の排ガスが採用可能である。排ガス流れ方向の寸法はなるべく小さくし、熱電モジュール内の大きな温度勾配発生を避けることが好ましい。
冷却方法としては、空冷・水冷のいずれも採用可能であるが、夏場の温水処理を避ける場合には、空冷が好ましい。
For example, in the case of a vehicle-mounted thermoelectric conversion unit, the low temperature side is connected to a radiator, an air conditioning unit, and an engine via a cooling system pipe, and the temperature difference from the high temperature part of the thermoelectric power generation unit that becomes high temperature due to exhaust gas discharged from the engine It can be forced to occur. For example, exhaust gas at about 600 ° C. after passing through the catalyzer can be used as exhaust gas. It is preferable to make the dimension in the exhaust gas flow direction as small as possible to avoid generation of a large temperature gradient in the thermoelectric module.
As a cooling method, either air cooling or water cooling can be adopted, but air cooling is preferable when avoiding hot water treatment in summer.

冷却系配管に接続された空調ユニットでは熱電変換ユニットから回収した廃熱を熱源に、暖房、霜取り、曇り止めを行うことができる。また、エンジンに配管の一部を接続することで燃料およびエンジン筐体の温度制御を行うことができる。 In the air conditioning unit connected to the cooling system pipe, heating, defrosting and anti-fogging can be performed using waste heat recovered from the thermoelectric conversion unit as a heat source. Further, the temperature of the fuel and the engine casing can be controlled by connecting a part of the piping to the engine.

熱電変換基本ユニットは、高温熱交換器、電気絶縁体、電極、熱電素子、低温熱交換器などから構成され、複数台設置することができ、排ガス熱量や熱交換器能力によってその数を調整することができる。   The thermoelectric conversion basic unit consists of high-temperature heat exchangers, electrical insulators, electrodes, thermoelectric elements, low-temperature heat exchangers, etc., and multiple units can be installed, and the number is adjusted according to the amount of exhaust gas heat and heat exchanger capacity be able to.

熱電素子はp型素子とn型素子の二種類が存在し、電極を介して直列に複数個接続することで高い電圧を得ることができる。   There are two types of thermoelectric elements, p-type elements and n-type elements. A high voltage can be obtained by connecting a plurality of thermoelectric elements in series via electrodes.

高温熱交換器にて回収された高温排ガスの熱はp型素子、n型素子に与えられる。一方で低温熱交換器では水冷システムと接続される。
高温側熱交換器としては、公知のセラミックスが採用可能であるが、耐熱性、耐熱衝撃性および熱伝導度の観点から炭化珪素、窒化珪素、サイアロン、窒化アルミニウム、窒化チタン、硼化チタンなどが好ましく、特に好ましくは炭化珪素である。低温側熱交換器は、公知の金属材料が採用可能であるが、加工性およびコストの観点からアルミニウムやステンレスを使用することが好ましい。
The heat of the high temperature exhaust gas recovered by the high temperature heat exchanger is given to the p-type element and the n-type element. On the other hand, a low-temperature heat exchanger is connected to a water cooling system.
Known ceramics can be used as the high temperature side heat exchanger, but silicon carbide, silicon nitride, sialon, aluminum nitride, titanium nitride, titanium boride, etc. are used from the viewpoint of heat resistance, thermal shock resistance and thermal conductivity. Silicon carbide is particularly preferable. A known metal material can be used for the low temperature side heat exchanger, but it is preferable to use aluminum or stainless steel from the viewpoint of workability and cost.

熱電変換モジュールと高温側熱交換器との接合にはNiあるいはTiを使用した化学的接合あるいはネジやバネの機械的な接合方法を用いることができ、必要に応じて応力を緩和するために緩衝層を設けることができる。   For joining the thermoelectric conversion module and the high-temperature side heat exchanger, chemical joining using Ni or Ti or mechanical joining of screws or springs can be used, and buffering is used to relieve stress as necessary. A layer can be provided.

熱電変換モジュールと低温側熱交換器との接合には銀ロウやハンダを用いることができ、必要に応じて応力を緩和するために緩衝層を設けることができる。   Silver solder or solder can be used for joining the thermoelectric conversion module and the low temperature side heat exchanger, and a buffer layer can be provided to relieve stress as necessary.

熱電変換モジュールは熱応力を緩和するために、いわゆるスケルトン構造といわれる固定用セラミック基板を用いない方式を用いることができ、この場合には電極と熱交換器との間に絶縁層を設けることができる。   In order to relieve thermal stress, the thermoelectric conversion module can use a so-called skeleton structure that does not use a fixing ceramic substrate. In this case, an insulating layer is provided between the electrode and the heat exchanger. it can.

熱交換器の形状は特に限定されるものではないが、特に高温側熱交換器において、熱を効率よく回収するためにフィン型の熱交換器を採用することができる。   The shape of the heat exchanger is not particularly limited, but a fin-type heat exchanger can be employed in order to efficiently recover heat, particularly in the high temperature side heat exchanger.

熱電変換モジュールに用いる熱電素子は特に限定されず、公知の熱電素子がいずれも採用可能であるが、例えば、素子としてp型、n型ともにフィルドスクッテルダイト焼結体、p型あるいはn型の少なくとも一方がZnSb系素子、コバルト酸化物系素子、Mn―Si系素子、Mg−Si系素子、Bi−Te系素子、Pb−Te系素子、ホイスラーおよびハーフホイスラー系材料、Si−Ge系材料などを採用することも可能である。 これらの熱電素子は、酸化を防止するために素子にメッキや蒸着膜を付与して保護することもできる。
たとえば、熱電素子として、RE(Fe1−yMy)Sb12(REはLa、Ceのうち少なくとも一種、MはTi、Zr、Sn、Pbからなる群から選ばれた少なくとも一種。0<x≦1、0<y<1)で表されるフィルドスクッテルダイト型の希土類合金が採用可能である。この合金はp型熱電変換材料として好適に用いられる。この合金中には、Pb、As、Si、Al、Fe、Mo、W、C、O、Nなど不可避不純物を含んでもよく、薄膜、合金、焼結体いずれの形態でも良い。また結晶構造はスクッテルダイト型結晶構造であるのがより好ましい。上記希土類合金では、xが0.01より少ないと熱伝導度が悪化して特性が低下し、yが0.15を超えると、ゼーベック係数および電気伝導度両面において著しく低下するため0.15以下が好ましい。またyが0.01未満では添加による性能向上が不十分なので0.01以上が好ましい。上記の範囲内でMを添加すると、ゼーベック係数と電気伝導度の向上が両立できる。
The thermoelectric element used in the thermoelectric conversion module is not particularly limited, and any known thermoelectric element can be used. For example, both p-type and n-type elements are filled skutterudite sintered bodies, p-type or n-type. At least one of which is a Zn 3 Sb 4 element, cobalt oxide element, Mn—Si element, Mg—Si element, Bi—Te element, Pb—Te element, Heusler and half-Heusler element, Si—Ge It is also possible to employ a system material or the like. These thermoelectric elements can also be protected by applying plating or vapor deposition films to the elements in order to prevent oxidation.
For example, as a thermoelectric element, RE x (Fe 1-y My) 4 Sb 12 (RE is at least one of La and Ce, M is at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Sn, and Pb. 0 < A filled skutterudite type rare earth alloy represented by x ≦ 1, 0 <y <1) can be used. This alloy is suitably used as a p-type thermoelectric conversion material. This alloy may contain inevitable impurities such as Pb, As, Si, Al, Fe, Mo, W, C, O, and N, and may be in the form of a thin film, alloy, or sintered body. The crystal structure is more preferably a skutterudite type crystal structure. In the rare earth alloy, if x is less than 0.01, the thermal conductivity is deteriorated and the characteristics are deteriorated. If y exceeds 0.15, both the Seebeck coefficient and the electric conductivity are remarkably lowered. Is preferred. If y is less than 0.01, the performance improvement by addition is insufficient, so 0.01 or more is preferable. When M is added within the above range, both the Seebeck coefficient and the electrical conductivity can be improved.

また、希土類合金として、RE(Co1−yMy)Sb12(REはLa、Ceのうち少なくとも一種、MはTi、Zr、Sn、Pbからなる群から選ばれた少なくとも一種。0<x≦1、0<y<1)も採用可能である。この合金はn型熱電変換材料として好適に用いられる。そしてこの希土類合金は、この中にPb、As、Si、Al、Fe、Mo、W、C、O、Nなど不可避不純物を含んでもよく、薄膜、合金、焼結体いずれの形態でも良い。また結晶構造はスクッテルダイト型結晶構造であるのがより好ましい。この希土類合金では、xが0.01より少ないと熱伝導度が悪化して特性が低下し、yが0.15を超えると、ゼーベック係数および電気伝導度両面において著しく低下するため0.15以下が好ましい。またyが0.01未満では添加による性能向上が不十分なので0.01以上が好ましい。上記の範囲内でMを添加すると、おもにゼーベック係数が向上できるため、性能が向上できる。 Further, as the rare earth alloy, RE x (Co 1-y My) 4 Sb 12 (RE is at least one of La and Ce, M is at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Sn, and Pb. 0 < x ≦ 1, 0 <y <1) can also be adopted. This alloy is suitably used as an n-type thermoelectric conversion material. The rare earth alloy may contain inevitable impurities such as Pb, As, Si, Al, Fe, Mo, W, C, O, and N, and may be in any form of a thin film, an alloy, and a sintered body. The crystal structure is more preferably a skutterudite type crystal structure. In this rare earth alloy, if x is less than 0.01, the thermal conductivity is deteriorated and the characteristics are deteriorated. If y exceeds 0.15, both the Seebeck coefficient and the electric conductivity are remarkably lowered. Is preferred. If y is less than 0.01, the performance improvement by addition is insufficient, so 0.01 or more is preferable. When M is added within the above range, the Seebeck coefficient can be mainly improved, so that the performance can be improved.

これらの希土類合金は、RE(Fe1−ySb12(REはLa、Ceのうち少なくとも一種、MはTi、Zr、Sn、Pbからなる群から選ばれた少なくとも一種。0<x≦1、0<y<1)に示す組成になるよう原料を秤量し、この原料を不活性ガス雰囲気中で溶解後、急冷凝固することにより製造することができる。
また、RE(Co1−yMy)Sb12(REはLa、Ceのうち少なくとも一種、MはTi、Zr、Sn、Pbからなる群から選ばれた少なくとも一種。0<x≦1、0<y<1)に示す組成になるよう原料を秤量し、この原料を不活性ガス雰囲気中で溶解後、急冷凝固することにより製造することができる。
上記二つの合金の急冷方法としてストリップキャスティング法、その他溶融金属の急冷方法として公知の方法を用いることができる。これらの冷却速度は1400℃から800℃の範囲では1×10℃/秒以上が好ましく、より好ましくは1×10℃/秒以上、1×10℃/秒以下であり、さらに好ましくは、2×10℃/秒以上、1×10℃/秒以下である。1×10℃/秒より遅いと相が分離して粉砕による成分の変動が大きくなり、1×10℃/秒より早いとアモルファスとなり粉砕効率が悪化するため好ましくない。
このような急冷方法を採用すれば、合金薄片の平均厚みは概ね0.1〜2mm程度となるが、好ましくは、0.2〜0.4mm程度になり、最も好ましい急冷速度を採用することで平均厚みは0.25〜0.35mm程度になる。
These rare earth alloys are RE x (Fe 1-y M y ) 4 Sb 12 (RE is at least one of La and Ce, and M is at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Sn, and Pb. 0 <X ≦ 1, 0 <y <1) The raw materials are weighed so as to have a composition, dissolved in an inert gas atmosphere, and then rapidly solidified.
Also, RE x (Co 1-y My) 4 Sb 12 (RE is at least one of La and Ce, M is at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Sn, and Pb. 0 <x ≦ 1, The raw materials can be weighed so as to have a composition represented by 0 <y <1), and the raw materials can be dissolved in an inert gas atmosphere and then rapidly solidified.
A strip casting method can be used as a method for quenching the above two alloys, and a known method can be used as another method for quenching a molten metal. These cooling rates are preferably 1 × 10 2 ° C./second or more, more preferably 1 × 10 2 ° C./second or more and 1 × 10 4 ° C./second or less, more preferably 1400 ° C. to 800 ° C. It is 2 × 10 2 ° C./second or more and 1 × 10 3 ° C./second or less. 1 × 10 2 ℃ / fluctuation components due to slower and phase pulverized separated seconds increases, undesirably 1 × 10 4 ℃ / sec faster amorphous and become for pulverization efficiency becomes worse than.
If such a quenching method is employed, the average thickness of the alloy flakes is about 0.1 to 2 mm, preferably about 0.2 to 0.4 mm, and the most preferred quenching rate is adopted. The average thickness is about 0.25 to 0.35 mm.

ホイスラー合金は一般式A3−xCで表わされAとBには遷移金属、CにはIII族、IV族の金属からなり、空間群はFm3mである。また、ハーフホイスラー合金は、一般式ABCで表わされ同様にAとBは遷移金属、CにはIII族あるいはIV族の金属からなり、空間群はF43mである。 The Heusler alloy is represented by the general formula A 3-x B x C, A and B are composed of transition metals, C is composed of Group III and Group IV metals, and the space group is Fm3m. The half-Heusler alloy is represented by the general formula ABC. Similarly, A and B are transition metals, C is a group III or group IV metal, and the space group is F43m.

上記ホイスラー合金およびハーフホイスラー合金に添加物としてB、C、Mg、Cu、Zn、あるいは希土類金属Y、La、Ce、Nd、Pr、Dy、Tb、Ga、Ybなどを添加して電気的性質、熱的性質を調整することができる。本発明の好ましい実施態様における、ホイスラー相またはハーフホイスラー相の最強ピーク比は85%以上あることが好ましく、90%以上あると更に好ましい。なお、当該ピーク比は、粉末X線回折測定において測定されたホイスラー相またはハーフホイスラー相の最強ピーク(IHS)、不純物相Aの最強ピーク強度(IA)、不純物相Bの最強ピーク強度(IB)より、
IHS/(IHS+IA+IB)×100(%)で定義される。
これらホイスラー合金は例えば鋳造後の組成がハーフホイスラー系(TiZr1−x)NiSn、(0≦x≦1)となるように、スポンジTi(純度99%以上)、スポンジZr(純度99%以上)、電解Ni(純度99%以上)、Snメタル(純度99.9%以上)を秤量し、1700℃まで0.1MPaのAr雰囲気中で高周波溶解して急冷凝固することにより製造することができる。
B, C, Mg, Cu, Zn, or rare earth metals Y, La, Ce, Nd, Pr, Dy, Tb, Ga, Yb, etc. are added to the Heusler alloy and half-Heusler alloy as additives. Thermal properties can be adjusted. In a preferred embodiment of the present invention, the strongest peak ratio of the Heusler phase or the half-Heusler phase is preferably 85% or more, and more preferably 90% or more. In addition, the peak ratio is the strongest peak (IHS) of the Heusler phase or the half-Heusler phase, the strongest peak intensity (IA) of the impurity phase A, and the strongest peak intensity (IB) of the impurity phase B measured in the powder X-ray diffraction measurement. Than,
It is defined as IHS / (IHS + IA + IB) × 100 (%).
These Heusler alloys are, for example, sponge Ti (purity 99% or more) and sponge Zr (purity 99%) so that the composition after casting is half-Heusler (Ti x Zr 1-x ) NiSn (0 ≦ x ≦ 1). Above), electrolytic Ni (purity 99% or more), Sn metal (purity 99.9% or more) are weighed and melted by high frequency in an Ar atmosphere of 0.1 MPa up to 1700 ° C. and rapidly solidified. it can.

合金を粉砕するときの粉砕方法は限定されず、公知の方法がいずれも採用可能であるが、例えばボールミル、ポットミル、アトライター、ピンミルのほか、ジェットミルを用いることができる。例えば、ジェットミルは粉砕コストが比較的高くなるが、連続運転が可能であり酸化防止や粉塵爆発防止に要する対応が容易である上、20μm程度の細かい粉末でも比較的短時間で処理することが可能であるので好ましい。急冷凝固合金は粉砕性が良いので、さらに短時間で20μm以下の微粉末を短時間かつ高い収率で得ることができる。   The pulverizing method for pulverizing the alloy is not limited, and any known method can be adopted. For example, a ball mill, pot mill, attritor, pin mill, and jet mill can be used. For example, although the jet mill has a relatively high pulverization cost, it can be continuously operated and can easily cope with oxidation prevention and dust explosion prevention, and even a fine powder of about 20 μm can be processed in a relatively short time. This is preferable because it is possible. Since the rapidly solidified alloy has good pulverizability, fine powders of 20 μm or less can be obtained in a short time and in a high yield.

合金の成型方法は特に限定されないが、例えば、微粉砕して得られた数μmの粉末を0
.5t/cm〜5.0t/cmの圧力で成形して圧粉体とし不活性雰囲気中、それぞれの合金の融点直下で常圧液相焼結すると、結晶粒径100μm以下の微細な結晶粒からなる熱電素子素子を作製することができる。熱電素子の結晶粒径は格子散乱による熱伝導度低下を考慮すると小さいほど良く、100μm以下が好ましく、さらに好ましくは10〜15μmであれば粒界での熱散乱により高い性能が達成できる。
The method of molding the alloy is not particularly limited.
. 5t / cm 2 ~5.0t / cm 2 of molding pressure and compact inert atmosphere, when the normally liquid phase sintering at the melting point just below the respective alloy, the crystal grain diameter 100μm or less fine crystals A thermoelectric element composed of grains can be produced. The crystal grain size of the thermoelectric element is preferably as small as possible considering the decrease in thermal conductivity due to lattice scattering, and is preferably 100 μm or less, and more preferably 10 to 15 μm, and high performance can be achieved by heat scattering at grain boundaries.

p型半導体およびn型半導体の熱電素子は、電気的に直列に接続して熱電変換モジュールを構成することが好ましく、電気的接続の方法としては半導体に金属製のキャップをはめて電極を介して接続する方法が好適である。   It is preferable that the thermoelectric elements of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor are electrically connected in series to form a thermoelectric conversion module. As a method of electrical connection, a metal cap is attached to the semiconductor via an electrode. A method of connection is preferred.

金属製のキャップの材質としては、特に限定されないが、熱電素子を構成する物質と熱膨張係数が同一あるいは小さい材質のキャップが好ましく、例えば、線熱膨張係数の大きい熱電素子に対してはステンレス鋼や銅、鉄、銀、金など、線膨張係数の小さい熱電素子に対してはモリブデン、ジルコニウム、チタン、タングステンなどを用いることができる。また、温度上昇による隙間の発生を防止するためにキャップと熱電素子の間に高温下で液状となる合金や金属の粒子を装填することも効果的である。
金属製のキャップの形状は、特に限定されないが、円筒状が好ましく、底面は平板あるいは曲率を有していても良い。ただし、キャップの高さは熱電素子の高さの半分以下であることが好ましい。また、底面に微細な孔を空けるか、側面の一部に溝を形成して温度上昇によって膨張した熱電素子とキャップの隙間に残っている空気を放出する仕組みを施すこともできる。
キャップと電極の接合は例えば、銀ロウなどを用いて700℃に加熱すれば接合することができるが、キャップはあらかじめ電極と接合しておくことも可能であり、これによりさらに生産性を向上させることができる。また、電極とキャップを一体化させた構造も可能であり、必要であれば、拡散防止層として機能する金属あるいは導電性セラミックスなどをキャップに被覆するか、この材質をキャップとして用いることで、熱電素子にこれらに被覆を施す工程を省略できるのでさらに生産性を向上できる。
The material of the cap made of metal is not particularly limited, but a cap having a material having the same or small thermal expansion coefficient as the material constituting the thermoelectric element is preferable. For example, stainless steel is used for a thermoelectric element having a large linear thermal expansion coefficient. Molybdenum, zirconium, titanium, tungsten, or the like can be used for thermoelectric elements having a small linear expansion coefficient, such as copper, iron, silver, and gold. It is also effective to load alloy or metal particles that become liquid at a high temperature between the cap and the thermoelectric element in order to prevent generation of a gap due to temperature rise.
The shape of the metal cap is not particularly limited, but is preferably cylindrical, and the bottom surface may have a flat plate or a curvature. However, the height of the cap is preferably less than half the height of the thermoelectric element. It is also possible to form a fine hole in the bottom surface or form a groove in a part of the side surface to release air remaining in the gap between the thermoelectric element expanded by the temperature rise and the cap.
For example, the cap and the electrode can be bonded by heating to 700 ° C. using silver solder or the like. However, the cap can be bonded to the electrode in advance, thereby further improving productivity. be able to. Also, a structure in which the electrode and the cap are integrated is possible. If necessary, the cap is covered with a metal or conductive ceramics that functions as a diffusion prevention layer, or this material is used as the cap. Since the step of coating the elements on these elements can be omitted, productivity can be further improved.

また、電極の裏面をセラミックスなどの絶縁物膜で被覆すると従来のような絶縁板が不要となるため生産コストを低減することができる。絶縁物膜の材質は特に限定されないが、窒化アルミニウムや窒化珪素やサイアロンのほか酸化物セラミックスが採用可能であり、好ましくは一般的に入手できて安価なアルミナである。
絶縁物膜の膜厚は、適用するモジュール形状に合わせ選択すればよいが、好ましくは100nm程度である。
In addition, when the back surface of the electrode is covered with an insulating film such as ceramics, a conventional insulating plate is not required, so that the production cost can be reduced. The material of the insulator film is not particularly limited, but oxide ceramics can be employed in addition to aluminum nitride, silicon nitride, sialon, and preferably alumina which is generally available and inexpensive.
The thickness of the insulator film may be selected according to the module shape to be applied, but is preferably about 100 nm.

このようにして構成された熱電変換システムでは、高温接触部側および低温接触部側に接続されたp型半導体、n型半導体のそれぞれに温度差を発生させて、ゼーベック効果に基づく温度差に応じた電気が熱電変換により発電されることとなる。   In the thermoelectric conversion system configured as described above, a temperature difference is generated in each of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor connected to the high temperature contact portion side and the low temperature contact portion side, and the temperature difference based on the Seebeck effect is applied. Electricity is generated by thermoelectric conversion.

モジュールの形状は平板状以外にも、筒状など熱源に応じて作り分けることができる。熱電変換モジュールは素子の酸化を防ぐために、密閉構造にすることができる。   The shape of the module can be made according to the heat source, such as a cylindrical shape, in addition to the flat plate shape. The thermoelectric conversion module can have a sealed structure in order to prevent oxidation of the element.

冷却水系には過剰に回収した熱を放出させるために、空冷の熱交換器を用いることができる。   An air-cooled heat exchanger can be used in the cooling water system in order to release the excessively recovered heat.

本システムで回収した電力は電池に供給して間接的に再利用しても良いし、油圧ポンプなどを直接駆動させても良いし、電気化学的反応の電気源として用いて排ガス浄化に使用しても良い。   The power collected by this system may be supplied to the battery and reused indirectly, or a hydraulic pump or the like may be driven directly, or used as an electrical source for electrochemical reactions for exhaust gas purification. May be.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。
(実施例)
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples at all.
(Example)

本発明を自動車に取り付けた場合について説明する。図1に自動車などの移動体熱源を例に本発明の廃熱回収システムを設置した場合を例示している。熱電変換ユニット4はエンジン3と排気管5の間に設置されている。   The case where this invention is attached to a motor vehicle is demonstrated. FIG. 1 illustrates a case where the waste heat recovery system of the present invention is installed taking a moving body heat source such as an automobile as an example. The thermoelectric conversion unit 4 is installed between the engine 3 and the exhaust pipe 5.

熱電変換ユニット4はバッテリーチャージ配線8を介してバッテリー6と接続されており、発電によって得られた電力はバッテリー6に充電される。 The thermoelectric conversion unit 4 is connected to the battery 6 through the battery charge wiring 8, and the battery 6 is charged with the electric power obtained by the power generation.

熱電変換ユニット4の低温側は冷却系配管1を介してラジエーター2および空調ユニット7、エンジン3と接続されており、エンジン3から排出された排ガスによって高温になった熱電発電ユニット4の高温部と温度差を強制的に生じさせることができる。 The low temperature side of the thermoelectric conversion unit 4 is connected to the radiator 2, the air conditioning unit 7, and the engine 3 via the cooling system pipe 1, and the high temperature portion of the thermoelectric power generation unit 4 that has become high temperature due to the exhaust gas discharged from the engine 3 A temperature difference can be forcibly generated.

冷却系配管1に接続された空調ユニット7では熱電変換ユニット4から回収した廃熱を熱源に、暖房、霜取り、曇り止めを行うことができる。また、エンジン3に配管の一部を接続することで燃料およびエンジン筐体の温度制御を行うことができる。 In the air conditioning unit 7 connected to the cooling system pipe 1, heating, defrosting and anti-fogging can be performed using waste heat recovered from the thermoelectric conversion unit 4 as a heat source. Further, by connecting a part of the piping to the engine 3, the temperature of the fuel and the engine casing can be controlled.

図2に熱電変換ユニット4の拡大図を示す。エンジン3から排出されたガスは排気ダクト入り口9から排気ダクト出口11へ流れており、排気ダクト入り口9の高温の排ガスは熱電変換基本ユニット12にて熱を熱電変換ユニット12内の熱電素子に与え排気ダクト11から排出される。   FIG. 2 shows an enlarged view of the thermoelectric conversion unit 4. The gas discharged from the engine 3 flows from the exhaust duct inlet 9 to the exhaust duct outlet 11, and the high-temperature exhaust gas at the exhaust duct inlet 9 gives heat to the thermoelectric elements in the thermoelectric conversion unit 12 by the thermoelectric conversion basic unit 12. It is discharged from the exhaust duct 11.

熱電変換基本ユニット12は冷却系配管1を介して冷却水入り口13から冷却水出口14へと冷却水を流すことにより一定温度に冷却されている。   The thermoelectric conversion basic unit 12 is cooled to a constant temperature by flowing cooling water from the cooling water inlet 13 to the cooling water outlet 14 via the cooling system pipe 1.

熱電変換基本ユニット12は複数台設置することができ、排ガス熱量や熱交換器能力によってその数を調整することができる。   A plurality of thermoelectric conversion basic units 12 can be installed, and the number thereof can be adjusted by the amount of exhaust gas heat and the heat exchanger capacity.

図3に熱電変換基本ユニット12の詳細な図を示す。熱電変換基本ユニット12は高温熱交換器15、電気絶縁体16および20、電極17、熱電素子18および19、低温熱交換器21から構成されている。   FIG. 3 shows a detailed view of the thermoelectric conversion basic unit 12. The thermoelectric conversion basic unit 12 includes a high temperature heat exchanger 15, electrical insulators 16 and 20, an electrode 17, thermoelectric elements 18 and 19, and a low temperature heat exchanger 21.

熱電素子はp型素子18とn型素子19の二種類が存在し、18と19を電極17を介して直列に複数個接続することで高い電圧を得ることができる。   There are two types of thermoelectric elements, p-type element 18 and n-type element 19, and a high voltage can be obtained by connecting a plurality of 18 and 19 in series via electrode 17.

電極17で電気的に接続されたp型素子18とn型素子19は高温熱交換器15および低温熱交換器19と電気的に絶縁するために電気絶縁体16および20が挿入される。   Electrical insulators 16 and 20 are inserted in the p-type element 18 and the n-type element 19 electrically connected by the electrode 17 in order to be electrically insulated from the high-temperature heat exchanger 15 and the low-temperature heat exchanger 19.

高温熱交換器15にて回収された高温排ガスの熱は電気絶縁体16、17を介してp型素子18、n型素子19に与えられる。一方で低温熱交換器21では冷却系配管1を介して水冷システムと接続されており、一定温度に保たれている。このため、強制的に温度差を生じさせることができるので大きな温度差を得ることができ、発電能力を向上させることができる。
The heat of the high-temperature exhaust gas recovered by the high-temperature heat exchanger 15 is given to the p-type element 18 and the n-type element 19 through the electrical insulators 16 and 17. On the other hand, the low-temperature heat exchanger 21 is connected to the water cooling system via the cooling system pipe 1 and is kept at a constant temperature. For this reason, since a temperature difference can be forcedly generated, a large temperature difference can be obtained, and the power generation capacity can be improved.

本発明の廃熱回収システムは、自動車などの移動体熱源のみならず、燃料電池、焼却炉といった静置型熱源からの高効率エネルギー変換に寄与することができる。
The waste heat recovery system of the present invention can contribute to high-efficiency energy conversion from not only a mobile heat source such as an automobile but also a stationary heat source such as a fuel cell and an incinerator.

自動車への適応事例を示した一例である。It is an example showing an example of adaptation to automobiles. 熱電ユニットの模式図であるIt is a schematic diagram of a thermoelectric unit. 熱電変換ユニットの拡大図の一例である。It is an example of the enlarged view of a thermoelectric conversion unit.

符号の説明Explanation of symbols

1 冷却系配管
2 ラジエーター
3 エンジン
4 熱電変換ユニット
5 排気管
6 バッテリー
7 空調ユニット
8 バッテリーチャージ配線
9 排気ダクト入口
10 水冷熱交換器
11 排気ダクト出口
12 熱電変換基本ユニット
13 冷却水入口
14 冷却水出口
15 高温熱交換器
16 電気絶縁体
17 電極
18 p型熱電素子
19 n型熱電素子
20 電気絶縁体
21 低温熱交換器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cooling system piping 2 Radiator 3 Engine 4 Thermoelectric conversion unit 5 Exhaust pipe 6 Battery 7 Air conditioning unit 8 Battery charge wiring 9 Exhaust duct inlet 10 Water-cooled heat exchanger 11 Exhaust duct outlet 12 Thermoelectric conversion basic unit 13 Cooling water inlet 14 Cooling water outlet 15 High-temperature heat exchanger 16 Electrical insulator 17 Electrode 18 P-type thermoelectric element 19 n-type thermoelectric element 20 Electrical insulator 21 Low-temperature heat exchanger

Claims (10)

熱電変換システムを有する廃熱回収システムであって、熱電変換システムにより電力を供給する手段と、熱電変換システムから放出される熱を利用する手段とを有する、廃熱回収システム。   A waste heat recovery system having a thermoelectric conversion system, comprising: means for supplying electric power by the thermoelectric conversion system; and means for using heat released from the thermoelectric conversion system. 熱電変換システムから放出される熱が、暖房、霜取り、曇り止め、燃料の保温、内燃機関の保温、燃料電池の保温からなる群より選ばれる1種以上に利用される請求項1に記載の廃熱回収システム。   The waste according to claim 1, wherein the heat released from the thermoelectric conversion system is used for at least one selected from the group consisting of heating, defrosting, anti-fogging, fuel insulation, internal combustion engine insulation, and fuel cell insulation. Heat recovery system. 熱電変換システムが、粒子径200μm以下の結晶から構成される焼結体を熱電発電素子として用いている請求項1または2に記載の廃熱回収システム。   The waste heat recovery system according to claim 1 or 2, wherein the thermoelectric conversion system uses a sintered body composed of crystals having a particle diameter of 200 µm or less as a thermoelectric power generation element. 熱電発電素子が、急冷凝固法により作製された合金を粉砕、焼結して得られたものである請求項3に記載の廃熱回収システム。   The waste heat recovery system according to claim 3, wherein the thermoelectric generator is obtained by pulverizing and sintering an alloy produced by a rapid solidification method. 熱電発電素子が、ハーフホイスラー構造、ホイスラー構造、フィルドスクッテルダイト構造、スクッテルダイト構造からなる群から選ばれる1種以上の結晶を含んでいる請求項3乃至5のいずれか1項に記載の廃熱回収システム。   6. The thermoelectric power generation element according to claim 3, comprising at least one crystal selected from the group consisting of a half-Heusler structure, a Heusler structure, a filled skutterudite structure, and a skutterudite structure. Waste heat recovery system. 廃熱回収システムが、車載用である請求項1乃至5のいずれか1項に記載の廃熱回収システム。   The waste heat recovery system according to any one of claims 1 to 5, wherein the waste heat recovery system is for vehicle use. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の廃熱回収システムを搭載した車。   A vehicle equipped with the waste heat recovery system according to any one of claims 1 to 5. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の廃熱回収システムを搭載した燃料電池システム。   A fuel cell system equipped with the waste heat recovery system according to any one of claims 1 to 5. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の廃熱回収システムを搭載した焼却炉。   An incinerator equipped with the waste heat recovery system according to any one of claims 1 to 5. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の廃熱回収システムを搭載した産業用機械。
An industrial machine equipped with the waste heat recovery system according to any one of claims 1 to 5.
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