JP2010225702A - 熱電発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱源として、水蒸気の液化潜熱を有効利用するのに適しており、ヒートパイプの受熱部の集熱効率が高く、熱電素子モジュールから安定した電力の出力が可能な熱電発電システムの提供。
【解決手段】ヒートパイプの放熱部１１ｂに連結した集熱体１３と、集熱体の片面又は両面に、一方の面を接触配置した熱電素子モジュール１６，１７と、熱電素子モジュールの他方の面に接触配置した冷却体１５とを備え、ヒートパイプの受熱部１１ａに複数の集熱フィン１２を連結したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートパイプと熱電素子モジュールとを組み合せた新規熱電発電システムに関する。

熱電素子モジュールは一対の電極の間にｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを縦横に直列に配列し、一対の電極間に温度差を設けることで電力を出力することができるもので各種熱電材料が提案されている。

一方、ヒートパイプは内部に作動流体を有し、一方は外部の熱を受熱し作動流体が蒸発する受熱部を形成し、他方は外部に熱を放熱し作動流体が凝縮する放熱部を有し、金属等の熱伝導に比較して、優れた熱移動特性を有していることが知られている。

このようなヒートパイプの特性を利用して、ヒートパイプと熱電素子モジュールを組み合せた熱電発電システムはこれまでにもいくつかが提案されている。
例えば特許文献１は排ガス等の熱流体路中に熱電素子を配設し、この熱電素子の低温側に平板型ヒートパイプの蒸発部（受熱部）を貼り合せ、このヒートパイプの凝縮部（放熱部）を熱流体路の外部に引き出し、冷却装置に連結した熱電発電システムを開示する。
特許文献２にはヒートパイプの受熱部を高温側に配置し、放熱部に熱電素子の高温側を接触させ、当該熱電素子の低温側を冷却する熱電発電装置を開示する。

しかし、特許文献１に開示する技術は、熱電素子自体を高温流体中に配置したものであるため、熱電素子の高温側と低温側の温度差を充分にとることができないものである。
また、特許文献２に開示する技術は上記とは逆にヒートパイプの放熱部に熱電素子モジュールの高温側を接触させるものであるが、ヒートパイプの受熱部を熱源側に単に棒状に配置したものであるため、集熱効果が低いものである。

特開平１１−２１５８６７号公報 特開平１１−４１８６３号公報

本発明は、ヒートパイプの受熱部の集熱効率が高く、熱電素子モジュールから安定した電力の出力が可能な熱電発電システムの提供を目的とする。
特に熱源として、水蒸気の液化潜熱を有効利用するのに適している。

本発明に係る熱電発電システムは、ヒートパイプの放熱部に連結した集熱体と、集熱体の片面又は両面に、一方の面を接触配置した熱電素子モジュールと、熱電素子モジュールの他方の面に接触配置した冷却体とを備え、ヒートパイプの受熱部に複数の集熱フィンを連結したことを特徴とする。
ここで、ヒートパイプとしてはパイプ状の本体部の内部に作動流体が封止され、一方に作動流体の蒸発部を有し、他方にこの作動流体の凝縮部を有し、蒸発部と凝縮部が断熱部で連結されている各種タイプのヒートパイプを使用することができる。
本発明においてはヒートパイプの蒸発部が受熱部として作用し、凝縮部が放熱部として作用する。

熱源から効率よく、熱を回収するには、ヒートパイプの受熱部の集熱力を向上させるのがよく、本発明ではヒートパイプの受熱部に複数の集熱フィンを連結したものである。
集熱フィンは表面積比が高いフィンであれば各種形状のフィンを採用することができる。
例えばフィンの形状は、リボン状，円盤状でもよく、四角形，多角形等の角形板でもよい。
密度が高くなるように集熱フィンを配設するには、集熱フィンは薄板状のプレート体であり、当該ヒートパイプの受熱部であって軸方向とは概ね直角方向に複数のプレート体を概ね平行に配置するのが好ましい。

一方、ヒートパイプの受熱部で効率よく集熱した熱はヒートパイプを移動し、熱電素子モジュールの一方の面を接触させた集熱体を加熱する。
従って、速やかにヒートパイプの放熱部からこの集熱体に熱移動させるには、集熱体はヒートパイプの径よりも厚みのあるプレート体であり、ヒートパイプの放熱部を、熱電素子モジュールの接触面と概ね平行になるように当該集熱体に埋設してあるとよい。

本発明に係る熱電発電システムにおいては、熱源側に複数の集熱フィンを連結したヒートパイプの受熱部を配置したことにより、各種流体路中にこの受熱部を配置することができる。
その中でも本発明者らの実験により、水蒸気中にヒートパイプの上記受熱部を配置すると気体の水蒸気が集熱フィンに触れると結露し、そのときの液化潜熱が速やかに集熱フィンを経由してヒートパイプ中を熱移動することが明らかになった。
水蒸気は常圧水蒸気のみならず加圧水蒸気でもよいが、液化潜熱を有効利用するには加圧力は１ＭＰａ以下、好ましくは０．５ＭＰａ以下がよい。
水蒸気の液化潜熱を利用するには一般的に２００℃以下なので、２５０℃以下で高い熱電変換性能を示す熱電素子が好ましく、ｐ型熱電変換素子、ｎ型熱電変換素子、及びそれらの端面を電極にて連結したπ型構造の熱電素子を利用でき、例えば現在市販されているＢｉ−Ｔｅ系の熱電素子モジュールを活用できる。

液化潜熱を効率よく回収するのは、集熱フィンは、鉄，銅，アルミ等の熱伝導率の高いものがよく、集熱フィンとヒートパイプの受熱部の接触面積は大きい方が望ましい。
例えば、薄板状のプレート体にヒートパイプを挿入する貫通穴を空け、穴の縁に折り曲げ部を形成し、ろう付け等に接合することで接触面積を大きくとるのもよい。

本発明においては、ヒートパイプの放熱部を集熱体に埋め込み連結し、このヒートパイプの受熱部に複数の集熱フィンを連結したことにより、熱源流体中の熱を効率よく回収でき、安定した電力を得ることができる。
特に熱源流体として水蒸気を用いると気体の水蒸気が集熱フィン接触し、液化することで大きな潜熱を回収できる。
また、液化した水は気体の蒸気に比較して体積が著しく小さくなるので、その周囲が負圧になり新たな水蒸気が集熱フィンに廻り込んでくるので集熱効力が高い。
さらには液化した水は集熱フィンから落下するので、流体が滞留することもない。

本発明に係る熱電発電システムの要部図を示す。

本発明に係る発電システム例を図１に基づいて以下説明するが、本発明はこれに限定されない。
ヒートパイプ１１の放熱部１１ｂを銅，アルミ等の熱伝導性集熱体１３に埋設してある。
集熱体１３は、ヒートパイプ１１の径よりも厚みのあるプレート形状になっていて、その両面に、熱電素子モジュール１６，１７の一方の面を接触配置し、熱電素子モジュールの他の面は冷却体１４，１５を接触配置してある。
なお、熱電素子モジュールは集熱体１３の片面のみの接触配置しても良い。
図１は紙面の手前から奥側に向けた深さ方向の側面に熱電素子モジュール１６，１７及び冷却体１４，１５を接触配置した例になっていて、ヒートパイプ１１は複数本をこの深さ方向上下に配置することができる。
熱電素子モジュール１６は、これまで提案されている多くの熱電材料を用いたものを採用することができるが、現在市販されていて２５０℃以下で高性能といわれているＢｉ−Ｔｅ系の素子を用いることができる。
熱電素子モジュール１６，１７は各素子を直列接続し、端子部からリード線（１６ａ、１６ｂ）、（１７ａ，１７ｂ）を取り出し、電力を得る。
冷却体１４，１５は、熱電素子モジュールの低温側を形成し、集熱体１３に接触している高温側との間に温度差を生じさせる役割を有し、本実施例は中が空洞のプレート状の冷却体１４中に、水等の冷媒を給入口１４ａ，１５ａから導入し、排水口１４ｂ，１５ｂから回収循環する例となっている。
なお、冷却機能を有する限りにおいて構造は限定されない。
熱電素子モジュール１５，１６と、集熱体１３及び冷却体１４，１５の接触面は銀ペーストや伝熱グリースを塗布し、伝熱効率を高めるとよい。
図１中、符号１８はフランジを示し、水蒸気等の流体が流れる流路の側壁１に取付やすくしたもので、必ずしも必要ではない。

ヒートパイプ１１の受熱部１１ａには、プレート状の集熱フィン１２をヒートパイプの軸方向とは概ね直角方向に複数枚概ね平行にろう付けで取り付けた例になっている。

次に本発明に係る熱電発電システムを用いて発電評価を実施したので以下説明する。
一辺１２ｃｍの正方形の銅製からなる集熱体に４本のヒートパイプの放熱部を埋設連結し、４本のヒートパイプの受熱部にはそれぞれ直径９ｃｍの円形フィン１６枚をヒートパイプの軸方向に平行にろう付け接合した。
熱電素子モジュールは、ビスマス・テルル系発電サーモモジュール（１２８対素子，ＴＭＧ−１２７−２．０−１．６，ＳＣＴＢ ＮＯＲＤ社）を用いた。
一枚５０×５０×３．８ｍｍの大きさの上記熱電素子モジュールを集熱体の片面に４枚、直列に連結して配置した。
モジュール基板の低温側は、鉄製の冷却槽を貼り合せ、この冷却槽に水を流し冷却した。
集熱フィンはボイラーからの大気に開放した水蒸気に接触させた。
その結果、１０Ｖ，約１０Ｗの電力を得た。

１１ ヒートパイプ
１１ａ 受熱部
１１ｂ 放熱部
１２ 集熱フィン
１３ 集熱体
１４ 冷却体
１５ 冷却体
１６ 熱電素子モジュール
１７ 熱電素子モジュール

Claims (5)

1. ヒートパイプの放熱部に連結した集熱体と、集熱体の片面又は両面に、一方の面を接触配置した熱電素子モジュールと、熱電素子モジュールの他方の面に接触配置した冷却体とを備え、ヒートパイプの受熱部に複数の集熱フィンを連結したことを特徴とする熱電発電システム。
2. 前記集熱フィンは薄板状のプレート体であり、当該ヒートパイプの受熱部であって軸方向とは概ね直角方向に複数のプレート体を概ね平行に配置したことを特徴とする請求項１記載の熱電発電システム。
3. 集熱体はヒートパイプの径よりも厚みのあるプレート体であり、ヒートパイプの放熱部を、熱電素子モジュールの接触面と概ね平行になるように当該集熱体に埋設してあることを特徴とする請求項１又は２記載の熱電発電システム。
4. 熱電素子モジュールは、ｐ型熱電変換素子、ｎ型熱電変換素子、及びそれらの端面を電極にて連結するπ型構造であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電発電システム。
5. ヒートパイプの受熱部に配設した集熱フィンを水蒸気流体中に配置することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱電発電システム。

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