JP2012227982A

JP2012227982A - 熱電変換装置

Info

Publication number: JP2012227982A
Application number: JP2011090544A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Tabata; 大助田端; Akira Isomi; 晃磯見
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2012-11-15

Abstract

【課題】熱排流体の熱量が低下した場合であっても発電効率の低下を抑え、効率よくエネルギー回収できる熱電変換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】熱電変換モジュールの高温側が排熱流体に接触し回収した熱を電気に変換する複数の熱電変換ユニット群と、熱排流体が通る第１流路と前記複数の熱電変換ユニットとの結合度を変更する流路切換装置と、前記熱排流体の状態を検出するセンサと、前記センサの検出に基づいて計算した前記熱排流体の熱量に応じて前記流路切換装置を発電効率が向上するように運転するコントローラを設けたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、排熱を用いて発電を行う熱電変換装置に関するものである。

特許文献１には、自動車の排気からエネルギー回収する熱電変換装置が記載されている。これは図８に示すように構成されている。
熱源であるエンジン１９からの熱排気２０は、排気マニホールド２１で集められた後、排気管２２により排出される。熱電変換装置２３は、排気管２２に取付けられた熱電変換ユニット２４ａ〜２４ｃと、電力変換器２５と、冷却水ポンプ２６と、冷却水ラジエータ２７と、冷却水循環路２８，２９とを有する。冷却水ポンプ２６は、冷却水循環路２８，２９のそれぞれに冷却水が矢印方向に循環するよう冷却水を供給する。冷却水管３０は冷却水循環路２９の一部である。

熱電変換ユニット２４ａ〜２４ｃの高温側が、排気管２２に熱結合して加熱され、熱電変換ユニット２４ａ〜２４ｃの低温側が、冷却水管３０の冷却水によって冷却されて、熱電変換ユニット２４ａ〜２４ｃはそれぞれの高温側と低温側との温度差に応じた熱電効果によって発電を行う。熱電変換ユニット２４ａ〜２４ｃの発電出力は、電力変換器２５を介して発電エネルギーとして出力されている。

特開２００５−２９９４１７号公報

しかしながら、このように排気管２２の上流から下流に向けて一様に熱排気２０を流すだけでは、熱排気の温度と流量の変化によっては全ての熱電変換ユニット２４ａ〜２４ｃを効率良く使うことができず、高い発電効率を得ることが困難になる。

例えば、熱排気の温度が低下した場合は、熱電変換ユニット２４ａ〜２４ｃ毎の高温側の温度差が大きく開くため、熱電変換ユニット２４ａ〜２４ｃ毎の発電差も大きくなり、直列接続、並列接続した場合のいずれでも発電効率が低くなる。これは発電効率が温度差の２乗で増加するためである。

熱電変換ユニット２４ａ〜２４ｃ毎の高温側の温度差が極端に異なる場合は、温度差の小さな熱電変換ユニット、つまり発電量の低い熱電変換ユニットでは逆電流が流れエネルギーを消費してペルチェ効果が働くといった不具合が生じる。

本発明は、熱排気などの熱排流体の熱量が低下した場合であっても発電効率の低下を抑え、効率よくエネルギー回収できる熱電変換装置を提供することを目的とする。

本発明の熱電変換装置は、熱電変換モジュールの高温側が排熱流体に接触し回収した熱を電気に変換する複数の熱電変換ユニット群と、熱排流体が通る第１流路と前記複数の熱電変換ユニットとの結合度を変更する流路切換装置と、前記熱排流体の状態を検出するセンサと、前記センサの検出に基づいて計算した前記熱排流体の熱量に応じて前記流路切換装置を発電効率が向上するように運転するコントローラとを設けたことを特徴とする。

また、本発明の熱電変換装置は、前記複数の熱電変換ユニット群の熱電変換モジュールの高温側と接触して前記第１流路から供給された熱排流体が流れる流路を直列接続して第２流路が形成され、前記第２流路における前記第１流路からの熱排流体の注入位置を、前記コントローラが前記流路切換装置に指示して前記結合度を変更することを特徴とする。具体的には、前記熱電変換ユニット群のそれぞれは、前記第１流路の周囲に、前記熱電変換モジュールの高温側を内側に向けて複数の熱電変換ユニットを配置して構成されている。

また、本発明の熱電変換装置は、前記熱電変換ユニット群は、前記第１流路の上手側から下手側に向かって配置され、前記熱電変換ユニット群のそれぞれは、前記第１流路の周囲に、前記熱電変換モジュールの高温側を内側に向けて複数の熱電変換ユニットを配置して構成され、前記熱電変換モジュールの高温側と接触して前記第１流路から供給された熱排流体が流れる流路を直列接続して第２流路が形成され、前記第２流路における前記第１流路からの熱排流体の注入位置を、前記コントローラが前記熱排流体の熱量に応じて前記流路切換装置に指示して変更するとともに、発電に使用する前記熱電変換ユニット群のうちの下手側の熱電変換ユニット群については、前記コントローラが前記熱排流体の熱量に応じて前記複数の熱電変換ユニットのうちの少なくとも一部の前記熱電変換モジュールの高温側に前記第１流路からの熱排流体を選択的に供給するよう、前記流路切換装置を介して前記第１流路と前記第２流路との結合度を変更することを特徴とする。

本発明によると、発電に使用する熱電変換ユニット群の個数を熱排流体の熱量に応じて算出し、使用する熱電変換ユニット群の温度差をできるだけ少なくし、熱排流体の熱量が低下した場合であっても発電効率の低下を抑え、効率よくエネルギー回収できる。

本発明の実施の形態における熱電変換装置の断面図図１のＡ−Ａ断面図とＢ−Ｂ断面図図１のＡ−Ａ断面部分の分解図同実施の形態における熱排気の流路変更により１列目使用中の断面図と、１列目と２列目使用中の断面図と、１列目と２列目および３列目使用中の断面図同実施の形態における熱電変換ユニットのＩ−Ｖ特性図同実施の形態における熱排気流量と熱排気温度、モジュール投入熱量の相関図同実施の形態における熱排気流量とモジュール列数、熱排気温度変化の相関図と熱排気の温度が２００℃一定で、流量を変更した場合のモジュール出力の実測結果説明図特許文献１の熱電変換装置の構成図

以下、本発明の熱電変換装置を実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図７は実施の形態１を示す。

図１において、熱電変換装置１は熱排気発生源の下流側に設置されている。熱排流体としての熱排気２は第１流路３に流れ込む。第１流路３の外周には下流側Ｄから上流側Ｕに向けて、複数段、ここでは５段の熱電変換ユニット群１４_１，１４_２，１４_３，１４_４，１４_５が設けられている。

１列目の熱電変換ユニット群１４_１には、図２（ａ）に示すように複数、ここでは８個の熱電変換ユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈが、第１流路３の外周に設けられている。図２（ａ）はＡ−Ａの断面であるが、２列目〜５列目の熱電変換ユニット群１４_２〜１４_５も同様である。

熱電変換ユニット１４ａは、熱電変換モジュール１３の高温側に熱交換フィン１１が取り付けられ、熱電変換モジュール１３の低温側に水冷ユニット１２が取り付けられている。熱電変換ユニット１４ｂ〜１４ｈも同様である。

図３は熱電変換ユニット１４ａ〜１４ｈを取り付ける直前の分解図を示す。
熱交換フィン１１を第１流路３の側に向けて熱電変換ユニット１４ａ〜１４ｈが取り付けられる部分には、第１流路３の管壁から隔壁１５_１〜１５_８が設けられている。熱電変換ユニット１４ａは隔壁１５_１〜１５_２と第１流路３の管壁とで囲まれるエリアＥ１の開口部を閉塞するように取り付けられている。熱電変換ユニット１４ｂ〜１４ｈも同様に、エリアＥ２〜Ｅ８の開口部を閉塞するように取り付けられている。エリアＥ１〜Ｅ８の第１流路３の管壁には、図１に示すように上手側寄りに排気孔１０_１〜１０_５が形成されている。２列目〜５列目の熱電変換ユニット群１４_２〜１４_５も同様である。

このように第１流路３の管壁の回りに形成された１列目の熱電変換ユニット群１４_１のエリアＥ１〜Ｅ８は、隣接する２列目の熱電変換ユニット群１４_２のエリアＥ１〜Ｅ８と連通している。２列目の熱電変換ユニット群１４_２のエリアＥ１〜Ｅ８は、隣接する３列目の熱電変換ユニット群１４_３のエリアＥ１〜Ｅ８と連通している。３列目の熱電変換ユニット群１４_３のエリアＥ１〜Ｅ８は、隣接する４列目の熱電変換ユニット群１４_４のエリアＥ１〜Ｅ８と連通している。４列目の熱電変換ユニット群１４_４のエリアＥ１〜Ｅ８は、隣接する５列目の熱電変換ユニット群１４_５のエリアＥ１〜Ｅ８の下手側と連通している。５列目の熱電変換ユニット群１４_５の上手側は壁１７で閉塞されている。１列目の熱電変換ユニット群１４_１の下手側は開放されている。

このように第１通路３の外周には、複数の第２通路１６が形成されている。詳しくは、１列目〜５列目の熱電変換ユニット群１４_１〜１４_５のエリアＥ１が連通して形成された通路と、１列目〜５列目の熱電変換ユニット群１４_１〜１４_５のエリアＥ２が連通して形成された通路と、１列目〜５列目の熱電変換ユニット群１４_１〜１４_５のエリアＥ３が連通して形成された通路と、１列目〜５列目の熱電変換ユニット群１４_１〜１４_５のエリアＥ４が連通して形成された通路と、１列目〜５列目の熱電変換ユニット群１４_１〜１４_５のエリアＥ５が連通して形成された通路と、１列目〜５列目の熱電変換ユニット群１４_１〜１４_５のエリアＥ６が連通して形成された通路と、１列目〜５列目の熱電変換ユニット群１４_１〜１４_５のエリアＥ７が連通して形成された通路と、１列目〜５列目の熱電変換ユニット群１４_１〜１４_５のエリアＥ８が連通して形成された通路が形成されている。それぞれの第２通路１６は前記排気孔１０_１〜１０_５によって第１流路３の内部と連通が可能である。

第１流路３の内側には、スライド自在に摺動管１８が設けられている。この摺動管１８は、アクチュエータとしてのエアーシリンダ９によって駆動されて１列目〜５列目の熱電変換ユニット群１４_１〜１４_５の排気孔１０_１〜１０_５を開閉する。具体的には、摺動管１８には、第１流路３における摺動管１８の位置に応じて、１列目〜５列目の熱電変換ユニット群１４_１〜１４_５の排気孔１０_１〜１０_５に連通して第１流路３の熱排気２が通過する連通孔４_１〜４_５が形成されている。

第１流路３の上手側には、熱排気２の流量を測定する流量計５と熱排気２の温度を測定する温度計６が設けられている。流量計５としては超音波流量計を使用できる。演算部７は、流量計５と温度計６の検出に基づいて熱排気２の熱量を計算する。コントローラ８は、演算部７で計算した熱量に応じてエアーシリンダ９を駆動して摺動管１８をスライドさせて発電に用いる熱電変換ユニット群１４_１〜１４_５を次のように切り換える。

例えば、温度と流量から計算した熱量が少ない場合は、図４（ａ）に示すようにコントローラ８がエアーシリンダ９を駆動して、１列目の熱電変換ユニット群１４_１のみを使用する。

図２（ｂ）はこのときの２列目の熱電変換ユニット群１４_２の排気口１０_２の状態を示している。３列目〜５列目の熱電変換ユニット群１４_３，１４_４，１４_５の排気口１０_３，１０_４，１０_５の状態も図２（ｂ）と同じである。

この時、第１流路３の熱排気２は、摺動管１８の連通孔４_１から１列目の熱電変換ユニット群１４_１の排気孔１０_１だけを通過して、１列目の熱電変換ユニット群１４_１の熱交換フィン１１にて熱を奪われ下流側に流れていく。この熱より１列目の熱電変換ユニット群１４_１は発電を行う。

図４（ａ）の場合よりも温度と流量から計算した熱量が高くなった場合には、コントローラ８が図４（ｂ）に示すようにエアーシリンダ９を駆動して、１列目と２列目の熱電変換ユニット群１４_１，１４_２を使用する。この時、摺動管１８の連通孔４_１と１列目の熱電変換ユニット群１４_１の排気孔１０_１との連通は閉塞され、第１流路３の熱排気２は、摺動管１８の連通孔４_２から２列目の熱電変換ユニット群１４_２の排気孔１０_２だけを通過して、２列目の熱電変換ユニット群１４_２の熱交換フィン１１にて熱を奪われ、１列目の熱電変換ユニット群１４_１の熱交換フィン１１にて熱を奪われ下流側Ｄに流れていく。この熱より１列目と２列目の熱電変換ユニット群１４_１，１４_２は発電を行う。

図４（ｂ）の場合よりも温度と流量から計算した熱量が高くなった場合には、コントローラ８が図４（ｃ）に示すようにエアーシリンダ９を駆動して、１列目〜３列目の熱電変換ユニット群１４_１〜１４_３を使用する。この時、摺動管１８の連通孔４_１と１列目の熱電変換ユニット群１４_１の排気孔１０_１との連通は閉塞され、摺動管１８の連通孔４_２と２列目の熱電変換ユニット群１４_２の排気孔１０_２との連通も閉塞され、第１流路３の熱排気２は、摺動管１８の連通孔４_３から３列目の熱電変換ユニット群１４_３の排気孔１０_３だけを通過して、３列目の熱電変換ユニット群１４_３の熱交換フィン１１にて熱を奪われ、２列目の熱電変換ユニット群１４_２の熱交換フィン１１にて熱を奪われ、１列目の熱電変換ユニット群１４_１の熱交換フィン１１にて熱を奪われ下流側に流れていく。この熱より１列目〜３列目の熱電変換ユニット群１４_１〜１４_３は発電を行う。

以下同様にコントローラ８が熱排気２の熱量に応じてエアーシリンダ９を駆動して、発電に用いる熱電変換ユニット群の個数を変化させる。
熱交換フィン１１の材質はグラファイト、アルミニウム、銅、ステンレス等といった熱伝導率の良い材料で形成されている。

熱電変換モジュール１３は、熱交換フィン１１で回収された熱を電気に変換するものである。熱電変換モジュール１３は、複数の熱電変換素子（例えばＢｉ_２Ｔｅ_３等からなるｐ型半導体及びｎ型半導体）を有している。熱交換フィン１１で回収された熱と、水冷ユニット１２に流れる冷却水の温度差に応じて、ゼーベック効果による発電を行う。

また、この実施の形態では、第１流路３の管壁に明けられた排気孔１０_１〜１０_５に対して連通孔４_１〜４_５が明けられた摺動管１８をエアーシリンダ９によって移動させることによって、熱排流体２２が通る第１流路３と熱電変換ユニット群１４_１〜１４_５の熱電変換ユニットとの結合度を変更する流路切換装置が構成されている。

このように、コントローラ８が熱排流体２２の熱量に応じて発電に使用する熱電変換ユニットを切り換えることの効果を検討する。
図５は、熱電変換モジュール１３のＩ−Ｖ特性図を示す。

このように熱電変換モジュール１３は、高温側と低温側の温度差に比例して、出力が上昇している。もちろんこの特性以外の熱電変換モジュールを用いても良い。図５に示す特性の熱電変換モジュール１３を用いて、熱排気２から熱を取る実験を行った。

熱排気２の温度を、１００℃、１５０℃、２００℃、熱排気２の流量を、０．１ｍ^３／分、０．５ｍ^３／分、１ｍ^３／分、２ｍ^３／分と変化させたときの、熱電変換モジュールへの投入熱量を図６に示す。熱電変換モジュールへの投入熱量は、通過流量と熱交換フィン１１の出口の温度より算出した。

図６に示すように、熱排気２の温度上昇に伴い、投入熱量は比例的に増加するが、流量の増加に対して投入熱量はある程度の値で飽和し増加量が少なくなるのがわかる。
次に同様の熱交換フィン１１と水冷ユニット１２と熱電変換モジュール１３からなる熱電変換ユニットを、図１に示すように配置して実験を行った。

なお、熱電変換ユニット群１４_１〜１４_５は、図２（ａ）のように第１流路３の周囲に複数の熱電変換ユニットを配置していたが、ここでは説明の簡略化のため、第１流路３の周囲の熱伝変換ユニットの個数は１つとした。

熱排気２の各熱電変換ユニットの入口における温度が２００℃の時に、熱排気２の流量を０．１ｍ^３／分、０．５ｍ^３／分、１ｍ^３／分、２ｍ^３／分と変化させたときの、各熱電変換ユニットでの温度変化を図７に示す。

この図７の結果からわかるように、各熱交換フィン１１の上流側から順に排気熱が奪われて、対応する熱電変換モジュール１３により発電が行われるため、下流側に向かうにつれて熱排気２の温度は下がっていく。下流側から順に配置された熱電変換ユニット群１４_１，１４_２，１４_３，１４_４，１４_５の熱交換フィン１１及び熱電変換モジュール１３の温度は、５列目、４列目、３列目、２列目、１列目と、下流側ほど低くなる。また、流量によっても、排気熱の奪われ方が変化することがわかる。

図６、図７より、温度と流量が変化する熱排気２の場合、全ての熱電変換ユニット群１４_１〜１４_５を最も効率の良い温度で使用するのは困難であり、温度差の少ない熱電変換ユニット群は発電せずに、熱電変換モジュールに逆電流が流れエネルギーを消費してペルチェ効果が働くといった不具合が生じる可能性がある。

これに対してこの実施の形態１の熱電変換装置１では、演算部７による熱量計算に基づいてコントローラ８が、発電効率の良い熱電変換ユニットの個数を決定した後、決定した個数になるように、エアーシリンダ９を作動させて、使用する熱電変換ユニットの個数を変化させることができるので、効率の良い発電が可能となる。

例えば、図７（ａ）に示すような、熱排気２の温度が２００℃、流量０．１ｍ^３／分の時は、上手側から２列目以降の熱排気温度が極端に低下していることがわかる。これは熱量が十分で無いため、上手側から１列目で大部分の熱量を消費しているからである。

図７（ｂ）は熱排気２の温度が２００℃、流量を０．１ｍ^３／分，０．５ｍ^３／分，１．０ｍ^３／分，２．０ｍ^３／分に変更した場合の各モジュールの出力を実測した。流量を０．１ｍ^３／分の場合には、上手側から１列目のみを使用すると、発電される電力は５．２Ｗであるが、上手側から１列目と２列目を使用すると、上手側から２列目のモジュールの高温側の温度が低いため、上手側から２列目のモジュールに逆電流が流れ１．２Ｗのエネルギーを消費するため発電効率は低下し、システムの発電量は４．０Ｗとなる。このため上手側から１列目のみを使用することでシステム効率を上昇する。

熱排気２の温度が２００℃、流量２ｍ^３／分の時の発電される電力は上手側から１列目７．７Ｗ、２列目６．９Ｗ、３列目６．４Ｗ、４列目５．９Ｗ、５列目５．３Ｗとなり、全て発電に関与していたため、システム効率が上昇した。

（実施の形態２）
実施の形態１ではエアーシリンダ９によって摺動管１８を駆動したが、エアーシリンダ９の代わりに、モータを設置し、このモータを回転させることで摺動管１８を駆動し、発電に使用する熱電変換モジュール１３の個数を変化させても良い。

（実施の形態３）
上記の各実施の形態では、熱電変換ユニット群１４_１〜１４_５のうちの発電に使用するとコントローラ８が判定した熱電変換ユニット群については、図２（ａ）に示した８個の全ての熱電変換ユニット１４ａ〜１４ｈの全てに熱排気２が供給されたが、熱排気２の熱量に応じて熱電変換ユニット群１４_１〜１４_５のうちの、使用すると判定された熱電変換ユニット群のうちで最上手側に位置する熱電変換ユニット群を除く熱電変換ユニット群については８個の全ての熱電変換ユニット１４ａ〜１４ｈの全てに熱排気２を供給し、最下手側に位置する熱電変換ユニット群については熱排気２の熱量に応じて摺動管８の連通孔と第１通路３の管壁の排気孔との連通の面積を多段または連続的にコントロールするよう構成することによって、さらに熱量の変化に細かく対応することも可能である。

上記の各実施の形態では、熱排流体が熱排気の場合を例に挙げて説明したが、ガス状では無く液体状などの場合でも、同様にエネルギー回収することができる。

本発明は熱排流体からエネルギーを効率よく回収することができ、各種の装置のエネルギー効率の改善に寄与するものである。

１熱電変換装置
２熱排気
３第１流路
４_１〜４_５連通孔
５流量計
６温度計
７演算部
８コントローラ
９エアーシリンダ（アクチュエータ）
１０_１〜１０_５排気孔
１１熱交換フィン（高温側）
１２水冷ユニット（低温側）
１３熱電変換モジュール
１４_１〜１４_５熱電変換ユニット群
１４ａ〜１４ｈ熱電変換ユニット
１５_１〜１５_８隔壁
１６第２通路
１７壁
１８摺動管
２２熱排気（熱排流体）
Ｅ１〜Ｅ８エリア

Claims

熱電変換モジュールの高温側が排熱流体に接触し回収した熱を電気に変換する複数の熱電変換ユニット群と、
熱排流体が通る第１流路と前記複数の熱電変換ユニットとの結合度を変更する流路切換装置と、
前記熱排流体の状態を検出するセンサと、
前記センサの検出に基づいて計算した前記熱排流体の熱量に応じて前記流路切換装置を発電効率が向上するように運転するコントローラと
を設けた熱電変換装置。
前記複数の熱電変換ユニット群の熱電変換モジュールの高温側と接触して前記第１流路から供給された熱排流体が流れる流路を直列接続して第２流路が形成され、
前記第２流路における前記第１流路からの熱排流体の注入位置を、前記コントローラが前記流路切換装置に指示して前記結合度を変更する
請求項１記載の熱電変換装置。
前記熱電変換ユニット群のそれぞれは、前記第１流路の周囲に、前記熱電変換モジュールの高温側を内側に向けて複数の熱電変換ユニットを配置して構成されている
請求項２記載の熱電変換装置。
前記熱電変換ユニット群は、前記第１流路の上手側から下手側に向かって配置され、
前記熱電変換ユニット群のそれぞれは、前記第１流路の周囲に、前記熱電変換モジュールの高温側を内側に向けて複数の熱電変換ユニットを配置して構成され、
前記熱電変換モジュールの高温側と接触して前記第１流路から供給された熱排流体が流れる流路を直列接続して第２流路が形成され、
前記第２流路における前記第１流路からの熱排流体の注入位置を、前記コントローラが前記熱排流体の熱量に応じて前記流路切換装置に指示して変更するとともに、
発電に使用する前記熱電変換ユニット群のうちの下手側の熱電変換ユニット群については、前記コントローラが前記熱排流体の熱量に応じて前記複数の熱電変換ユニットのうちの少なくとも一部の前記熱電変換モジュールの高温側に前記第１流路からの熱排流体を選択的に供給するよう、前記流路切換装置を介して前記第１流路と前記第２流路との結合度を変更する
請求項１記載の熱電変換装置。