JP2011115036A

JP2011115036A - 発熱源の熱を利用した発電方法およびヒートパイプ装置

Info

Publication number: JP2011115036A
Application number: JP2009272421A
Authority: JP
Inventors: Koji Matsumoto; 幸治松本; Koichi Iida; 弘一飯田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2011-06-09

Abstract

【課題】発熱源の熱を利用した発電および発熱源の冷却を効率の点で有利に行うこと。
【解決手段】発熱源の熱を利用して発電する方法であって、ループヒートパイプ１２によって発熱源１１の熱を熱電変換素子１３の一方の面に移動させて昇温させる第１のステップと、熱電変換素子１３の一方の面１３ａを昇温させた後の作動流体を低温状態とした後に熱電変換素子１３の他方の面１３ｂに移動させて冷却させる第２のステップと、冷却させた後の作動流体を発熱源１１に戻す第３のステップとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱源の熱を利用した発電方法およびヒートパイプ装置に関する。

従来より、発熱源の熱を利用した発電のために、熱電変換素子（ＴＥＧ：Thermo-Electric Generating device)が用いられている。熱電変換素子を用いて発電を行うには、その一方の面と他方の面とで温度差を与える必要がある。

図６は従来における熱電変換素子を用いた発電方法を説明する図である。

図６において、発電装置８０は、ＣＰＵなどの発熱源８１の上に熱電変換素子８２が装着されている。つまり、熱電変換素子８２の一方の面８２ａを高温にするために、その面８２ａを発熱源８１に密着させる。そして、熱電変換素子８２の他方の面８２ｂを低温に保つために、放熱フィン８３が装着される。熱電変換素子８２の２つの面８２ａ，８２ｂの温度差によって発電が可能となる。

また、放熱フィン８３に代えて、放熱ファンまたは冷却水などの種々の手段が利用される。

また、発熱源から熱電変換素子の一方の面まで、ヒートパイプを用いて熱を移動することが試みられている（特許文献１〜２）。

また、発熱部品などの冷却のために、ループヒートパイプが用いられる（特許文献３〜４）。

特開２００３−６５０４５特開２００１−２８２３９６特開２００７−２６３４２７特開２００８−２８１２７５

図６に示す従来の発電方法では、熱電変換素子８２に温度差を与えるために、熱電変換素子８２の高温側の加熱と低温側の冷却とが互いに独立した手段により行われる。そのため、全体的な効率の点で課題があった。

また、特許文献１においては、発熱源から熱電変換素子まではヒートパイプで熱を移動させ、低温側はラジエータ液によって冷却する。

特許文献２においては、電子機器などの発熱源から熱電変換素子までヒートパイプで熱を移動させ、低温側はファンユニットによって冷却する。

これら特許文献１および２のいずれも、発熱源から熱電変換素子の高温側へのヒートパイプを用いた昇温と熱電変換素子の低温側の冷却とが、互いに独立して行われている。そのため、熱電変換素子の昇温と冷却とにそれぞれ別個の手段または器具を必要とし、全体的な効率の点およびコストの点で課題があった。

また、特許文献３および４においては、ループヒートパイプを用いて発熱部品などを単に冷却することが開示されるのみであり、熱電変換素子による発電についての技術を開示するものではない。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、発熱源の熱を利用した発電および発熱源の冷却を効率の点で有利に行うことのできる方法および装置を提供することを目的とする。

ここに開示される方法によると、発熱源の熱を利用して発電する方法であって、環状の流路内に作動流体が封入されたループヒートパイプによって発熱源の熱を熱電変換素子の一方の面に移動させて前記熱電変換素子の一方の面を昇温させる第１のステップと、前記熱電変換素子の一方の面を昇温させた後の前記作動流体を低温状態とした後に前記熱電変換素子の他方の面に移動させて前記熱電変換素子の他方の面を冷却させる第２のステップと、前記熱電変換素子の他方の面を冷却させた後の前記作動流体を前記発熱源に戻す第３のステップと、を有する。

本発明によると、発熱源の熱を利用した発電および発熱源の冷却を効率の点で有利に行うことができる。

第１の実施形態の発電装置の斜視図である。第２の実施形態の発電装置の斜視図である。第３の実施形態の発電装置の斜視図である。第４の実施形態の発電装置の斜視図である。発熱源の熱を利用した発電方法を説明するフローチャートである。従来における熱電変換素子を用いた発電方法を説明する図である。

まず、発熱源の熱を利用して発電する方法について説明する。

すなわち、図５に示す第１のステップにおいて、環状の流路内に作動流体が封入されたループヒートパイプによって発熱源の熱を熱電変換素子の一方の面に移動させて熱電変換素子の一方の面を昇温させる（＃１１）。

第２のステップにおいて、熱電変換素子の一方の面を昇温させた後の作動流体を低温状態とした後に熱電変換素子の他方の面に移動させて熱電変換素子の他方の面を冷却させる（＃１２）。

第３のステップにおいて、熱電変換素子の他方の面を冷却させた後の作動流体を発熱源に戻す（＃１３）。

このとき、第２のステップにおいて、作動流体を低温状態とするために、放熱板を用いることが可能である。

また、第２のステップにおいて、作動流体を低温状態とするために、熱電変換素子の一方の面から他方の面までの作動流体の流路の距離Ｌ２と、発熱源から熱電変換素子の一方の面までの距離Ｌ１および熱電変換素子の他方の面から発熱源までの距離Ｌ３との間に次の（１）式、
Ｌ１＜Ｌ２／２
Ｌ３＜Ｌ２／２ ……（１）
が成り立つように設定しておけばよい。

次に、ヒートパイプ装置を用いた発電装置の実施形態について説明する。
〔第１の実施形態〕
まず、第１の実施形態の発電装置１について説明する。

図１において、発電装置１は、発熱源１１、ループヒートパイプ１２、熱電変換素子１３、凝縮部１４などを備える。

発熱源１１は、本実施形態においてはＬＳＩ（Large Scale Integration)である。つまり、第１の実施形態の発電装置１は、ＬＳＩの発生する熱を利用して発電を行うとともに、当該ＬＳＩの冷却を行う。

発熱源１１の表面には、発熱源１１を冷却するための蒸発部２１が設けられている。蒸発部２１は、内部に作動流体が封入されており、発熱源１１の熱によってその作動流体を気化（蒸発）させることにより冷却を行う。

ループヒートパイプ１２は、パイプ内に封入された作動流体の液相と気相との間の相変化にともなう潜熱と、ウイックの毛管現象とを利用した伝熱素子である。

作動流体として、例えば、水、ハイドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）類、またはハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）類などが用いられる。

ループヒートパイプ１２は、作動流体が循環するように構成されており、所謂ループヒートパイプとなっている。図１において、ループヒートパイプ１２の各部がパイプ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとして示されている。

熱電変換素子１３は、熱と電力とを変換する素子である。例えば、２種類の異なる板状または円筒状の金属または半導体を接合したものである。熱電変換素子１３は、その両端面に温度差を与えることによって起電力が生じる。

熱電変換素子１３の一方の面１３ａには昇温部２２が設けられ、他方の面１３ｂには冷却部２３が設けられる。昇温部２２は、パイプ１２ａによって蒸発部２１の気体出口に接続されている。冷却部２３は、パイプ１２ｄによって蒸発部２１の液体入口に接続されている。

また、昇温部２２と冷却部２３とは、パイプ１２ｂ，１２ｃを介して互いに接続されている。気体である作動流体は、パイプ１２ｂ，１２ｃを通過する間に、冷却（凝縮）されて液体になる。したがって、これらパイプ１２ｂ，１２ｃは、凝縮部１４となっている。

このように、蒸発部２１、パイプ１２ａ、昇温部２２、パイプ１２ｂ、パイプ１２ｃ、冷却部２３、パイプ１２ｄ、および蒸発部２１は、この順に連続しており、それらの内部を作動流体が循環している。つまり、ループヒートパイプ装置ＬＨは、蒸発部２１において、発熱源１１の熱によって作動流体を気化し、その潜熱をパイプ１２ａによって昇温部２２に伝達する。昇温部２２によって、熱電変換素子１３の一方の面１３ａが昇温される。熱電変換素子１３の一方の面１３ａを昇温させた後の作動流体は、パイプ１２ｂ，１２ｃを通過する間に、冷却されて液体になる。液化した作動流体は、冷却部２３に流入し、熱電変換素子１３の他方の面１３ｂを冷却させる。熱電変換素子１３の他方の面１３ｂを冷却させた後の作動流体は、パイプ１２ｄを通って蒸発部２１に戻る。したがって、パイプ１２ｄは戻り管路である。

蒸発部２１によって、発熱源１１が冷却される。したがって、発熱源１１がＣＰＵなどのＬＳＩである場合に、その冷却が行われる。これとともに、ループヒートパイプ装置ＬＨを用いることにより、外部からエネルギーを供給することなく、熱電変換素子１３の両面１３ａ，ｂの間に温度差を与えて発電が行われ、これを電力として取り出すことができる。ここで、蒸発部２１、昇温部２２、および冷却部２３は、パイプ状から機械的に熱伝導良く接続した平板など（ヒートスプレッダ）であってもよい。
〔第２の実施形態〕
次に、第２の実施形態の発電装置１Ｂについて説明する。

なお、第２の実施形態の発電装置１Ｂにおいて、第１の実施形態の発電装置１と同じ機能を有する部分には同じ符号を付して説明を省略する。以下同様である。

図２において、発電装置１Ｂは、発熱源１１、ループヒートパイプ１２、熱電変換素子１３、凝縮部１４Ｂなどを備える。

パイプ１２ｂとパイプ１２ｃとの間には、凝縮部１４Ｂが設けられている。凝縮部１４Ｂは、広い面積を有する冷却板である。冷却板によって熱が放熱され、凝縮部１４Ｂの内部を流通する作動流体が冷却されて液化する。

なお、冷却板の前後に、冷却用のファンを設けておいてもよい。ファンの回転によって冷却板の放熱が促進され、新たなエネルギーを供給することなく、作動流体が循環する。
〔第３の実施形態〕
次に、第３の実施形態の発電装置１Ｃについて説明する。

図３において、発電装置１Ｃは、発熱源１１、ループヒートパイプ１２、熱電変換素子１３、凝縮部１４Ｃなどを備える。

パイプ１２ｂとパイプ１２ｃとの合計の長さを長くすることによって、凝縮部１４Ｃの機能を果たすようになっている。

すなわち、パイプ１２ａの長さをＬ１、パイプ１２ｂおよび１２ｃの長さをＬ２、パイプ１２ｄの長さをＬ３とすると、これらの間に上の（１）式が成り立つように設定されている。

つまり、パイプ１２ａの長さＬ１、およびパイプ１２ｄの長さＬ３は、いずれも、パイプ１２ｂと１２ｃの合計の長さＬ２の２分の１よりも十分に短い。

つまり、熱電変換素子１３の一方の面１３ａから他方の面１３ｂまでの作動流体の流路の長さＬ２の２分の１は、発熱源１１から熱電変換素子１３の各面１３ａ，１３ｂまでの長さＬ１，Ｌ３よりも十分に長い。

これによって、熱電変換素子１３の両面１３ａ，１３ｂつまり高温側と低温側とに十分な温度差が与えられ易くなり、熱電変換素子１３による発電が行われ易い。
〔第４の実施形態〕
次に、第４の実施形態の発電装置１Ｄについて説明する。

図４において、発電装置１Ｄは、発熱源１１Ｄ、ループヒートパイプ１２、熱電変換素子１３Ｄ、凝縮部１４Ｄなどを備える。

発熱源１１Ｄは、本実施形態においては電気自動車の駆動モータである。電気自動車の駆動モータは、燃料機関系のエンジンと比べると、形状の平坦性が格段によく、また上昇温度の限界が低く、振動も少ない。そのような電気自動車の駆動モータの一面または一部に蒸発部２１Ｄが取り付けられる。

つまり、第４の実施形態の発電装置１Ｄは、電気自動車の駆動モータの発生する熱を利用して発電を行うとともに、当該駆動モータの冷却を行う。

パイプ１２ｂ，１２ｃは、それらの合計の長さを長くすることによって、凝縮部１４Ｄの機能を果たすようになっている。

第４の実施形態の発電装置１Ｄによると、電気自動車の駆動モータの冷却と同時に、その発熱を利用して発電を行うことができる。発電された電力は、当該電気自動車の駆動のためまたは制御のために利用することができる。

上に述べたように、本実施形態の発電装置１によると、外部からのエネルギーの供給を行うことなく、発熱源の熱を利用した発電および発熱源の冷却を効率の点で有利に行うことができる。また、外部からエネルギーの供給を行うための機器を用いる必要がないので、コストの点でも有利である。

例えば、熱電変換素子１３の低温側の面１３ｂの冷却のためにファンを用いた場合には、１〜１０Ｗ程度のエネルギーが必要であり、全体的な効率がそれだけ低下する。本実施形態においては、ループヒートパイプ装置ＬＨを用いることにより、発熱源１１の熱を利用しながら冷却効果を得ることができるので、効率およびコストの点で有利である。

特に、電子機器のＣＰＵ、電圧レギュレータ、またはパワーアンプなどに対して、熱回収と冷却とを同時に行なうことができる。また、自動車においては、発熱部を冷却する必然性は低いが、ループヒートパイプ１２を適用することにより、熱電変換素子１３の１つの面１３ｂを、外部からのエネルギーの供給を行うことなく、低温の維持が容易となる。

上に述べた各実施形態において、発熱源１１、ループヒートパイプ１２、熱電変換素子１３、凝縮部１４、蒸発部２１、昇温部２２、冷却部２３、発電装置１の各部または全体の構成、構造、形状、寸法、配置、厚さ、個数、材料などは、本発明の主旨に沿って適宜変更することができる。

１発電装置
１１発熱源
１２ループヒートパイプ
１２ｄパイプ（戻り管路）
１３熱電変換素子
１４凝縮部
２１蒸発部
２２昇温部
２３冷却部

Claims

発熱源の熱を利用して発電する方法であって、
環状の流路内に作動流体が封入されたループヒートパイプによって発熱源の熱を熱電変換素子の一方の面に移動させて前記熱電変換素子の一方の面を昇温させる第１のステップと、
前記熱電変換素子の一方の面を昇温させた後の前記作動流体を低温状態とした後に前記熱電変換素子の他方の面に移動させて前記熱電変換素子の他方の面を冷却させる第２のステップと、
前記熱電変換素子の他方の面を冷却させた後の前記作動流体を前記発熱源に戻す第３のステップと、
を有する発熱源の熱を利用した発電方法。
前記第２のステップにおいて、前記作動流体を低温状態とするために、放熱板を用いる、
請求項１記載の発熱源の熱を利用した発電方法。
前記第２のステップにおいて、前記作動流体を低温状態とするために、前記熱電変換素子の一方の面から他方の面までの前記作動流体の流路の距離Ｌ２と、前記発熱源から前記熱電変換素子の一方の面までの距離Ｌ１および前記熱電変換素子の他方の面から前記発熱源までの距離Ｌ３との間に次の式、
Ｌ１＜Ｌ２／２
Ｌ３＜Ｌ２／２
が成り立つように設定しておく、
請求項１記載の発熱源の熱を利用した発電方法。
環状の流路内に作動流体が封入されたループヒートパイプを用いたヒートパイプ装置であって、
発熱源の熱によって前記作動流体を気化させる蒸発部と、
気化した前記作動流体によって熱電変換素子の一方の面を昇温させる昇温部と、
前記熱電変換素子の一方の面を昇温させた後の前記作動流体を液化させる凝縮部と、

液化した前記作動流体によって前記熱電変換素子の他方の面を冷却させる冷却部と、
熱電変換素子の他方の面を冷却させた後の前記作動流体を前記蒸発部に戻す戻り管路と、
を有するヒートパイプ装置。