JP2010219255A

JP2010219255A - 熱電発電装置

Info

Publication number: JP2010219255A
Application number: JP2009063656A
Authority: JP
Inventors: Osamu Suzuki; 理鈴木; Hideaki Ueda; 英明上田
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2010-09-30

Abstract

【課題】熱損失を低減させることで発電効率を向上させる熱電発電装置の提供を目的とする。
【解決手段】高温媒体通路１１ａを有する高温部材１１と、低温媒体通路１２ａを有する低温部材１２と、高温部材１１と低温部材１２との間に配置され、隣り合うｐ型熱電素子１３ａとｎ型熱電素子１３ｂとが高温側端同士または低温側端同士を交互に電極１３ｃによって直列に結合される熱電モジュール１３と、を具備する熱電発電装置１０であって、熱電モジュール１３は、前記高温側端が高温媒体通路１１ａ内に露出するように高温部材１１に配設され、前記低温側端が低温部材１２に密接されることを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電発電装置の技術に関する。

近年、環境負荷が低い新しいエネルギー変換技術のひとつとして熱電発電が注目されている。熱電発電は、ｐ型熱電材料とｎ型熱電材料との組み合わせにより構成される熱電モジュールの両端を加熱、冷却することで生じる温度差を電気エネルギーに変換するゼーベック効果を利用するものである。しかし、熱電モジュールの発電効率は低く、単体では使用に耐え得る電力の発生は難しいという不具合があった。

そこで、使用可能な電力を得るために、ｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とを金属電極板を介して複数個直列に接合させる技術は公知である。例えば特許文献１の如くである。

しかし、上述した特許文献１に開示された構成では、高温部材と電極板、および低温部材と電極板の間に絶縁部材が必要になるため、電極板と高温部材および低温部材との間で熱損失が発生して発電効率が低下するという問題点があった。

特開２００７−３１１６５６号公報

本発明は、上記の如き課題を鑑みてなされたものであり、熱損失を低減させることで発電効率を向上させる熱電発電装置の提供を目的とする。

請求項１においては、高温媒体通路を有する高温部材と、低温媒体通路を有する低温部材と、前記高温部材と前記低温部材との間に配置され、隣り合うｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが高温側端同士または低温側端同士を交互に電極によって直列に結合される熱電モジュールと、を具備する熱電発電装置であって、前記熱電モジュールは、前記高温側端が前記高温媒体通路内に露出するように高温部材に配設され、前記低温側端が前記低温部材に密接されることを特徴とするものである。

請求項２においては、前記熱電モジュールは、前記高温媒体通路内に露出する前記電極が高温媒体の流れ方向と直交する方向にずらされた千鳥状に配置されることを特徴とするものである。

請求項３においては、前記高温部材は、前記高温媒体通路内に露出する前記電極と対向する前記高温媒体通路内の位置に前記高温媒体が衝突する衝突部材が配設されることを特徴とするものである。

請求項４においては、前記熱電モジュールは、前記高温媒体通路内に露出する前記電極がフィン形状に形成されることを特徴とするものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

本発明は、熱損失を低減させることで発電効率を向上させることが可能である、という効果を奏する。

本発明の第一実施形態に係る熱電発電装置を示す図。図１におけるＡ−Ａ断面図。（ａ）本発明の第一実施形態に係る熱電モジュールを示す斜視図。（ｂ）本発明の第一実施形態に係る熱電モジュールの上面図。本発明の第一実施形態に係る熱電モジュールの高温側と低温側との温度差のグラフを示す図。本発明の第二実施形態に係る熱電発電装置を示す図。図５におけるＢ−Ｂ断面図。本発明の第一実施形態および第二実施形態に係る熱電素子の高温媒体通路上流側から下流側までの温度変化のグラフを示す図。本発明の第三実施形態に係る熱電発電装置を示す図。本発明の第一実施形態、第二実施形態および第三実施形態に係る熱電発電装置の別構成を示す図。

次に、図１、図２、図３、図４および図７を用いて本発明に係る熱電発電装置の第一実施形態である熱電発電装置１０について説明する。

熱電発電装置１０は、図１および図２に示すように、エンジンの排気等に含まれる廃熱を利用して発電するものであり、高温部材１１と、低温部材１２と、熱電モジュール１３と、から構成される。

高温部材１１は、高温媒体Ｈが内部の高温媒体通路１１ａを通過するものである。高温部材１１は、途中部を矩形状に形成されるパイプ部材から構成される。高温部材１１は、具体的には図示しないエンジンの排気マニホールド等に接続され、高温に加熱された高温媒体Ｈであるエンジンの排気が高温媒体通路１１ａを通過することで加熱される。なお、高温部材１１の形状は本実施形態に限定されるものではない。

低温部材１２は、低温媒体Ｃが内部の低温媒体通路１２ａを通過するものである。低温部材１２は、内部に中空状の低温媒体通路１２ａが形成される金属部材から構成される。低温部材１２は、具体的には図示しないエンジンのラジエータ等に接続され、図示しないラジエータ等で冷却された低温媒体Ｃである冷却水が低温媒体通路１２ａを通過することで冷却される。なお、低温部材１２の形状は本実施形態に限定されるものではない。

熱電モジュール１３は、熱エネルギーを電子の流れに変換して発電するものである。熱電モジュール１３は、ｐ型熱電素子１３ａと、ｎ型熱電素子１３ｂと、電極１３ｃとから構成される。

ｐ型熱電素子１３ａは、一部が加熱されると高温部から低温部へ正孔が移動する性質を有するものである。ｐ型熱電素子１３ａは、Ｆｅ−Ｖ−Ａｌ系材料を主な構成物質とする。なお、ｐ型熱電素子１３ａの構成物質は本実施形態に限定するものではない。

ｎ型熱電素子１３ｂは、一部が加熱されると高温部から低温部へ自由電子が移動する性質を有するものである。ｎ型熱電素子１３ｂは、Ｆｅ−Ｖ−Ａｌ系材料を主な構成物質とする。なお、ｎ型熱電素子１３ｂの構成物質は本実施形態に限定するものではない。

熱電モジュール１３は、図３（ａ）に示すように、複数のｐ型熱電素子１３ａと複数のｎ型熱電素子１３ｂとが離間して交互に配置されるとともに導電性の材料であって略長方形状に形成される複数の電極１３ｃを介して結合される。ここで、複数のｐ型熱電素子１３ａ、複数のｎ型熱電素子１３ｂおよび複数の電極１３ｃのうち、第一のｐ型熱電素子１３ａと、第一のｎ型熱電素子１３ｂと、の一側端同士が第一の電極１３ｃを介して結合されたものを第一の熱電ペアとしたとき、第一の熱電ペアにおけるｐ型熱電素子１３ａと、第二の熱電ペアにおけるｎ型熱電素子１３ｂと、の他側端同士が第一の電極１３ｃと直交して配置される電極１３ｃを介して結合される。次に、第二の熱電ペアにおけるｐ型熱電素子１３ａと、第三の熱電ペアにおけるｎ型熱電素子１３ｂと、の他側端同士が第二の電極１３ｃと直交して配置される電極１３ｃを介して結合される。この際、第一の熱電ペアと第三の熱電ペアとが隣り合う位置に配設される。同様にして、第三の熱電ペアと電極１３ｃを介して結合される第四の熱電ペアは、第二の熱電ペアと隣り合う位置に配設される。このように構成することで、複数のｐ型熱電素子１３ａと複数のｎ型熱電素子１３ｂとが電極１３ｃを介して直列に結合されるとともに複数の熱電ペアが千鳥状に配置される。

また、熱電モジュール１３は、図１および図２に示すように、ｐ型熱電素子１３ａおよびｎ型熱電素子１３ｂの他側端が絶縁部材１４を介して低温部材１２と接着される。熱電モジュール１３は、具体的には耐熱樹脂系接着剤にセラミック粉末と金属粉末とが混合された絶縁部材１４により低温部材１２と接着される。なお、熱電モジュール１３と低温部材１２との密着方法は、本実施形態に限るものでなく、シリコンシート等の絶縁部材を介してボルトによって締結される方法でもよい。

熱電モジュール１３は、ｐ型熱電素子１３ａおよびｎ型熱電素子１３ｂを外部と断熱し、かつ低温部材１２に一体的に固着するために、ｐ型熱電素子１３ａおよびｎ型熱電素子１３ｂの全体を覆うように断熱封止材１５が充填される。つまり、熱電モジュール１３は、ｐ型熱電素子１３ａおよびｎ型熱電素子１３ｂの一側端を結合している電極１３ｃ・１３ｃ・・以外が断熱封止材１５により封止される。

熱電モジュール１３は、図３（ａ）に示すように、ｐ型熱電素子１３ａおよびｎ型熱電素子１３ｂの一側端を結合している電極１３ｃ・１３ｃ・・の長手方向が、高温媒体Ｈの流れ方向に対して直交して高温媒体通路１１ａ内に露出するよう高温部材１１に配設される。すなわち、熱電モジュール１３は、ｐ型熱電素子１３ａおよびｎ型熱電素子１３ｂの一側端（高温側端）が高温媒体Ｈによって直接加熱され、他側端（低温側端）が低温部材１２を介して低温媒体Ｃによって冷却される。

このような構成により、熱電発電装置１０は、図２に示すように、排気ガス等の高温媒体Ｈが高温媒体通路１１ａを通過すると、高温媒体通路１１ａ内に露出しているｐ型熱電素子１３ａおよびｎ型熱電素子１３ｂの一側端（高温側端）の電極１３ｃ・１３ｃ・・が高温媒体Ｈにより直接加熱される。これにより、集熱フィンや絶縁部材等が介在することで発生する熱損失を無くして、熱損失を最小限に抑えることができる（図４参照）。また、熱電発電装置１０は、図３（ｂ）に示すように、ｐ型熱電素子１３ａおよびｎ型熱電素子１３ｂの一側端（高温側端）の電極１３ｃ・１３ｃ・・が千鳥状に配置されるため電極１３ｃ・１３ｃ・・間を高温媒体Ｈがくまなく通過する。これにより、熱電発電装置１０は、高温媒体Ｈが高温媒体通路１１ａの上流側から下流側までの電極１３ｃ・１３ｃ・・に衝突するようになり、高温媒体通路１１ａの下流側における熱電モジュール１３の温度低下を低減することができる（図７参照）。また、ｐ型熱電素子１３ａおよびｎ型熱電素子１３ｂは、断熱封止材１５により封止されているため高温媒体Ｈに接触することがない。これにより、熱電モジュール１３は、高い断熱効果を得ることができ、かつ高温媒体Ｈによる劣化を防止することができる。

熱電発電装置１０は、冷却水等の低温媒体Ｃが低温媒体通路１２ａを通過すると、絶縁部材１４を介して低温部材１２に密着されているｐ型熱電素子１３ａおよびｎ型熱電素子１３ｂの他側端（低温側端）の電極１３ｃ・１３ｃ・・が低温部材１２を介して低温媒体Ｃにより冷却される。この際、熱電モジュール１３は、絶縁部材１４により絶縁されている。これにより、熱電モジュール１３は、低温部材１２を熱伝導率が高い金属材料で構成することができる。

一側端（高温側端）を加熱されたｐ型熱電素子１３ａ内の電子は、一側端（高温側端）の電極１３ｃ方向に移動し、一側端（高温側端）を加熱されたｎ型熱電素子１３ｂ内の電子は、他側端（低温側端）の電極１３ｃ方向に移動する。ｐ型熱電素子１３ａ内の電子は、一側端（高温側端）の電極１３ｃを通じてｎ型熱電素子１３ｂ内に移動し、ｎ型熱電素子１３ｂ内の電子は、他側端（低温側端）の電極１３ｃを通じてｐ型熱電素子１３ａ内に移動する。よって、熱電発電装置１０は、熱電モジュール１３内に電子の流れ、すなわち電位差が生じることで発電を行う。

以上の如く、高温媒体通路１１ａを有する高温部材１１と、低温媒体通路１２ａを有する低温部材１２と、高温部材１１と低温部材１２との間に配置され、隣り合うｐ型熱電素子１３ａとｎ型熱電素子１３ｂとが高温側端同士または低温側端同士を交互に電極１３ｃによって直列に結合される熱電モジュール１３と、を具備する熱電発電装置１０であって、熱電モジュール１３は、前記高温側端が高温媒体通路１１ａ内に露出するように高温部材１１に配設され、前記低温側端が低温部材１２に密接されることを特徴とするものである。

また、熱電モジュール１３は、高温媒体通路１１ａ内に露出する電極１３ｃが高温媒体Ｈの流れ方向と直交する方向にずらされた千鳥状に配置されることを特徴とするものである。

このように構成することで、熱電発電装置１０は、熱電モジュール１３の高温側の電極１３ｃが高温媒体Ｈによって直接加熱されるため集熱フィンや絶縁部材が不要になるとともに、高温媒体Ｈを高温媒体通路１１ａの下流側の電極１３ｃまで効率よく衝突させることができる。これにより、熱損失を低減させることで発電効率を向上させることができる。

次に、図５、図６および７用いて本発明に係る熱電発電装置の第二実施形態である熱電発電装置２０について説明する。なお、以下の実施形態において、既に説明した第一実施形態と同様の点に関しては同一符号を付してその具体的説明を省略し、相違する部分を中心に説明する。

熱電発電装置２０は、図５および図６に示すように、エンジンの排気等に含まれる廃熱を利用して発電するものであり、高温部材１１と、低温部材１２と、熱電モジュール１３と、衝突部材２４と、から構成される。

衝突部材２４は、高温媒体Ｈを衝突させて乱流を発生させるものである。衝突部材２４は、棒状に形成され、高温媒体通路１１ａ内に露出する電極１３ｃと対向する高温媒体通路１１ａ内の位置に横架される。なお、該衝突部材２４の断面形状は本実施形態では円形としているが、乱流を発生させるものであれば楕円や多角形等でもよく限定するものではない。また、衝突部材２４は本実施形態では３本平行に配置しているが、その配置位置及び本数は限定するものではなく、流速や流量等を考慮して略均等に乱れるようにできるものであれば斜めに配置することも可能である。

このような構成により、熱電発電装置２０は、図６に示すように、エンジンの排気等の高温媒体Ｈが高温媒体通路１１ａを通過すると、衝突部材２４が高温媒体通路１１ａ内に高温媒体Ｈの乱流を発生させ、高温媒体通路１１ａ内に露出している全ての電極１３ｃに効率よく高温媒体Ｈを衝突させることができる。これにより、熱電発電装置２０は、高温媒体通路１１ａの上流側から下流側までの熱電モジュール１３を効率よく加熱させることができ、高温媒体通路１１ａの下流側における熱電モジュール１３の温度低下をさらに低減することができる（図７参照）。

以上の如く、高温部材１１は、高温媒体通路１１ａ内に露出する電極１３ｃと対向する高温媒体通路１１ａ内の位置に高温媒体Ｈが衝突する衝突部材２４が配設されることを特徴とするものである。
このように構成することで、熱電発電装置２０は、高温媒体Ｈの乱流が熱電モジュール１３の高温側の全ての電極１３ｃに効率よく高温媒体Ｈを衝突させることができる。これにより、熱損失を低減させることで発電効率を向上させることができる。

次に、図８を用いて本発明に係る熱電発電装置の第三実施形態である熱電発電装置３０について説明する。なお、以下の実施形態において、既に説明した第一実施形態と同様の点に関しては同一符号を付してその具体的説明を省略し、相違する部分を中心に説明する。

熱電発電装置３０は、図８に示すように、エンジンの排気等に含まれる廃熱を利用して発電するものであり、高温部材１１と、低温部材１２と、熱電モジュール３３と、から構成される。

電極３３ｃは、他側端が絶縁部材１４を介して低温部材１２に接着され、一側端がｐ型熱電素子３３ａとｎ型熱電素子３３ｂとに結合される。

電極３３ｄは、他側端がｐ型熱電素子３３ａとｎ型熱電素子３３ｂとに結合され、一側端が多数のフィンを突出したフィン形状に形成される。

このような構成により、熱電発電装置３０は、エンジンの排気等の高温媒体Ｈが高温媒体通路１１ａを通過すると、高温媒体Ｈが高温媒体通路１１ａ内に露出している電極３３ｄのフィン形状に衝突する。これにより、熱電モジュール３３は、電極３３ｄが効率よく集熱することができるようになる。

以上の如く、熱電モジュール３３は、高温媒体通路１１ａ内に露出する電極３３ｄがフィン形状に形成されることを特徴とするものである。
このように構成することで、熱電発電装置３０は、高温媒体通路１１ａ内に露出する電極３３ｄが効率よく集熱することができる。これにより、熱損失を低減させることで発電効率を向上させることができる。

なお、第一実施形態における熱電発電装置１０、第二実施形態における熱電発電装置２０および第三実施形態における熱電発電装置３０、の構成は、本実施形態に限定するものではなく、図９に示すように、高温部材１１、低温部材１２および熱電モジュール１３（３３）を複数設ける構成としてもよい。

１０熱電発電装置
１１高温部材
１１ａ高温媒体通路
１２低温部材
１２ａ低温媒体通路
１３熱電モジュール
１３ａｐ型熱電素子
１３ｂｎ型熱電素子
１３ｃ電極

Claims

高温媒体通路を有する高温部材と、
低温媒体通路を有する低温部材と、
前記高温部材と前記低温部材との間に配置され、隣り合うｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが高温側端同士または低温側端同士を交互に電極によって直列に結合される熱電モジュールと、
を具備する熱電発電装置であって、
前記熱電モジュールは、前記高温側端が前記高温媒体通路内に露出するように高温部材に配設され、前記低温側端が前記低温部材に密接されることを特徴とする熱電発電装置。
前記熱電モジュールは、
前記高温媒体通路内に露出する前記電極が高温媒体の流れ方向と直交する方向にずらされた千鳥状に配置されることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
前記高温部材は、
前記高温媒体通路内に露出する前記電極と対向する前記高温媒体通路内の位置に前記高温媒体が衝突する衝突部材が配設されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
前記熱電モジュールは、
前記高温媒体通路内に露出する前記電極がフィン形状に形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱電発電装置。