JP2013012597A

JP2013012597A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2013012597A
Application number: JP2011144639A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Kiyohara; 武彦清原
Original assignee: Imasen Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Imasen Electric Industrial Co Ltd
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2013-01-17

Abstract

【課題】熱電発電モジュールの破損を防止することを目的とする。
【解決手段】内部に低温流体の流体経路を形成する内管２０と、内管２０と同一軸心に設けられ筒状に形成する外形の内部に高温流体の流体経路を有する外管３０と、内管２０の外周面と外管３０の内周面との間の空間に設ける熱電発電モジュール４０とで構成する熱交換器１０であって、熱電発電モジュール４０は、温度差によって電力を発生する複数のp型熱電変換素子４１および複数のｎ型熱電変換素子４２が電極４３を介して接続し、各熱電変換素子４１、４２の端部が突出するよう絶縁部材４４に接合されており、内管２０の外周面２１と熱電発電モジュール４０の内周面の隙間および熱電発電モジュール４０の外周面３０と外管３０の内周面３１との隙間にそれぞれ絶縁流体５０を封入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器に係り複数のｐ型熱電変換素子と複数のｎ型熱電変換素子とが電気的に直列に接続され、かつ熱的に並列に配置された熱電発電モジュールを備える熱交換器に関する。

従来、熱交換器等に備えられ熱エネルギーと電気エネルギーとの相互変換が可能な熱電発電モジュールとして、例えば、特許文献１に記載する熱電変換モジュールが提案されている。この熱電変換モジュールは、内部が高温流体の流体経路となる電気的絶縁性の内管と、内管と同一軸心で内管との間に所定の空隙部が形成される電気的絶縁性の外管とから成る２重円筒体と、内管と外管の対向面上にそれぞれ連続的に形成されて配設された内側電極及び外側電極と、内側電極と外側電極との間に電気的に並列に接続され、両端に生ずる温度差で発電を行う複数個の熱電変換素子とを備えた構造をしている。

ここで、特許文献１記載の熱電変換モジュールの内側電極および外側電極は、内管の外周面および外管の内周面に複数形成されており、それぞれ一方の電極の一端に他方の電極の他端が接合する形でｐ型熱電変換素子とn型熱電変換素子が円周方向に交互になるよう接合している。

特開平０９-３６４３９

この特許文献１に記載する熱電変換モジュールによれば、長手方向において、仰け反って歪む（電極に対して垂直方向に働く）熱応力を抑制できる構造であることから電極の破損を防止し、熱電変換モジュールの破損を防止している。しかし、熱電変換モジュールは、断面において、熱電変換モジュールの半径方向に対して垂直に歪む（電極を接合する各熱電変換素子方向の）熱応力が発生すると、電極と各熱電変換素子の接合部が熱膨張により剥離して熱電変換モジュールを破損する恐れがあると考える。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであって、熱応力による熱電発電モジュールの破損を防止することを目的とする。

請求項１記載の発明によれば、内部に低温流体の流体経路を形成する内管と、内管と同一軸心に設けられ筒状に形成する外形の内部に高温流体の流体経路を有する外管と、内管の外周面と外管の内周面との間の空間に設ける熱電発電モジュールとで構成する熱交換器であって、熱電発電モジュールは、温度差によって電力を発生する複数のp型熱電変換素子および複数のｎ型熱電変換素子が電極を介して接続し、各熱電変換素子の端部が突出するよう絶縁部材に接合されており、内管の外周面と熱電発電モジュールの内周面の隙間および熱電発電モジュールの外周面と外管の内周面との隙間にそれぞれ絶縁流体を封入することを技術的特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、熱応力により熱交換器が歪んだ場合であっても電極および電極と各熱電変換素子の接合部に応力を加えることがないため、熱電変換モジュールの破損を防止することが可能となる。

本発明の熱交換器の横断面図を示す。本発明の熱交換器の長手方向の断面図を示す。

以下に、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
本発明は、図１に示すように、複数のｐ型熱電変換素子４１と複数のｎ型熱電変換素子４２とが電極４３を介して電気的に直列に接続され、かつ熱的に並列に配置された熱電発電モジュール４０を備える熱交換器１０であって、内部に低温流体の流体経路を形成する内管２０と、内管２０と同一軸心に設けられ筒状に形成する外形の内部に高温流体の流体経路を有する外管３０と、内管２０の外周面２１と外管３０の内周面３１との間の空間に設ける熱電発電モジュール４０とで構成しており、内管２０の外周面２１と熱電発電モジュール４０の内周面の隙間および熱電発電モジュール４０の外周面と外管３０の内周面３１との隙間にそれぞれ絶縁流体５０を封入する。

内管２０は、アルミニウム等の熱伝導性の高い材料を用いて製造されており、図1に示すように、内部に低温流体の流体経路を形成しており、本実施例において、内部にラジエータ等の冷却装置により冷却された冷却水がポンプ等により加圧されることで流動している。ここで、内管２０の外周面２１は、後述する熱電発電モジュール４０の内周面との隙間に封入される後述の絶縁流体５０ａへの熱の移動を促進するために、絶縁流体５０ａ側に延出するフィンを取付けたり、断面を波状に加工する等して伝熱面積を増やす加工が施されてあってもよい。

外管３０は、内管２０と同様にアルミニウム等の熱伝導性の高い材料で製造されており、図1に示すように、内管２０と同一軸心に設けられ筒状に形成する外形の内部に高温流体の流体経路を有しており、本実施例において、内部に熱源の熱を受熱して高温になった冷却水を流動している。ここで、外管３０の内周面３１は、後述する熱電発電モジュール４０の外周面との隙間に封入される絶縁流体５０ｂの熱の移動を促進するために、絶縁流体５０ｂ側に延出するフィンを取付けたり、断面を波状に加工する等して伝熱面積を増やす加工が施されてあってもよい。

また、この外管３０は、図２に示すように、長手方向の両端において、後述する熱電発電モジュール４０を固定する固定部３３を形成している。この固定部３３は、本実施例において、熱電発電モジュール４０の後述するを挿入可能に形成しており、固定部３３と絶縁部材４４との間にゴム製のパッキン等を挟み込む構造にして後述する絶縁流体５０を封入する。

ここで、内管２０および外管３０を備える本発明の熱交換器１０は、本実施例において、冷却水を向流して流動する構造とするが、冷却水を並流して流動する構造であってもよい。

熱電発電モジュール４０は、図1に示すように、内管２０の外周面２１と外管３０の内周面３１の間の空間に設けられ、複数のｐ型熱電変換素子４１と複数のｎ型熱電変換素子４２とが電極４３を介して電気的に直列に接続し、かつ熱的に並列に配置した状態で絶縁部材４４により接合されている。この熱電発電モジュール４０は、本実施例において、図２に示すように、長手方向にｐ型熱電変換素子４１とn型熱電変換素子４２とが交互になるように複数配設し、後述する出力端子４５から一つの電気出力を得ることとする。

ｐ型熱電変換素子４１およびn型熱電変換素子４２は、各熱電変換素子４１、４２の両端に温度差が生じることにより電力を発生する素子であって、後述する電極４３および絶縁部材４４と接合している。

電極４３は、平板に形成しており、それぞれ一方の電極４３の一端に他方の電極４３の他端が接合する形でｐ型熱電変換素子４１とｎ型熱電変換素子４２とを円周方向に交互に配設してあって、図１に示すように、内管２０の外周面２１と熱電発電モジュール４０の内周面との隙間側の後述する絶縁流体５０ａと接触をしている低温側電極４３ａと、熱電発電モジュール４０の外周面と外管３０の内周面３１の隙間側の後述する絶縁流体５０ｂと接触している高温側電極４３ｂと、ｐ型熱電変換素子４１とｎ型熱電変換素子４２を交互に配設された終端に備える出力端子４５とで構成している。ここで、電極４３とｐ型熱電変換素子４１または電極４３とｎ型熱電変換素子４２との接合は、はんだ付けにより行われるものとする。

出力端子４５は、複数のｐ型熱電変換素子４１と複数のｎ型熱電変換素子４２とで生じた電力を出力するためのものであって、図１に示すように、低温側電極４３ａが備えられるｐ型熱電変換素子４１とｎ型熱電変換素子４２の端部に設ける。この出力端子４５は、熱電発電モジュール４０が複数備えられる場合、電気的に直列または並列に接続することで一つの電気出力を得る。

絶縁部材４４は、電気的な絶縁性が高く熱伝導性の低い樹脂製またはゴム製であって、図１に示すように、各熱電変換素子４１、４２の端部を後述する絶縁流体５０が封入される領域に突出する形で接合している。このように各熱電変換素子４１、４２を接合することで、内管２０と外管３０が異なる熱応力によりそれぞれ歪んだ場合であっても、電極４３や各熱電変換素子４１、４２と電極４３との接合部に熱応力を集中させることがないため、熱電発電モジュール４０の破損を防止することが可能となる。

また、この絶縁部材４４は、本実施例において、図２に示すように、長手方向の両端部を外管３０に形成する固定部３３に挿入して固定する。この際、内管２０の外周面２１と熱電発電モジュール４０の内周面の隙間および熱電発電モジュール４０の外周面と外管３０の内周面３１との隙間にそれぞれ封入される後述の絶縁流体が混合することがないようゴム製のパッキン等で挟み込む構造とする。

絶縁流体５０は、図１に示すように、内管２０の外周面２１と熱電発電モジュール４０の内周面との隙間および熱電発電モジュール４０の外周面と外管３０の内周面３１の隙間にそれぞれ封入される流体であって、電気的な絶縁性と熱伝導性が共に高い流体が望ましく、例えば、フロリナートやシリコーンオイル等を使用する。この内管２０の外周面２１と熱電発電モジュール４０の内周面との隙間に封入される絶縁流体５０ａと熱電発電モジュール４０の外周面と外管３０の内周面３１の隙間に封入される絶縁流体５０ｂは、同一の流体を封入することが望ましいが、異なる流体を封入してもよい。

また、この内管２０の外周面２１と熱電発電モジュール４０の内周面との隙間に封入される絶縁流体５０ａと熱電発電モジュール４０の外周面と外管３０の内周面３１の隙間に封入される絶縁流体５０ｂは、熱交換器１０の断面（図１参照）において熱電発電モジュール４０により仕切られていることから混合することはなく、熱交換器１０の長手方向（図２参照）において熱電発電モジュール４０を固定する際にパッキン等を挟み込んだ構造をしていることから混合することはない。

次に、本発明の熱交換器１０に備える熱電発電モジュール４０の破損防止に係る実施例を説明する。
熱交換器１０は、内管２０の内部に低温流体を流動し外管３０の内部に高温流体を向流方向で流動していることから、断面（図１参照）において、内管２０は収縮し外管３０は膨張するように熱応力が発生する。この際、電極４３は、ｐ型熱電変換素子４１とｎ型熱電変換素子４２の端部に接合しており絶縁流体５０と接触していることから、内管２０と外管３０が熱応力によって歪んだ場合であっても、応力が加わることがないため破損することはない。

また、熱交換器１０は、内管２０の内部に低温流体を流動し外管３０の内部に高温流体を向流方向で流動することで、長手方向（図２参照）においても熱応力が発生し内管２０側では収縮し外管３０側では膨張するため仰け反るように歪むことがある。しかし、複数の熱電発電モジュール４０の出力端子４５は、絶縁流体５０ａに接触する形で電気的に直列または並列に接続されることから、熱応力によって仰け反るように歪んだ場合であっても、応力が加わることがない。そのため、熱電発電モジュール40が破損することはない。

上記の実施例において、熱交換器１０は、内管２０に低温流体を流動し外管３０に高温流体を流動する構造について説明を行ったが本発明はこれに限らず内管２０に高温流体を流動し外管３０に低温流体を流動する構造についても同様な効果を得ることができる。

１０熱交換器
２０内管
３０外管
４０熱電発電モジュール
４１ｐ型熱電変換素子
４２ｎ型熱電変換素子
４３電極
４４絶縁部材
４５出力端子
５０絶縁流体

Claims

内部に低温流体の流体経路を形成する内管と、
該内管と同一軸心に設けられ筒状に形成する外形の内部に高温流体の流体経路を有する外管と、
前記内管の外周面と前記外管の内周面との間の空間に設ける熱電発電モジュールとで構成する熱交換器であって、
前記熱電発電モジュールは、温度差によって電力を発生する複数のp型熱電変換素子および複数のｎ型熱電変換素子が電極を介して接続し、前記ｐ型熱電変換素子および前記ｎ型熱電変換素子の端部が突出するよう絶縁部材に接合されており、
前記内管の外周面と前記熱電発電モジュールの内周面の隙間および前記熱電発電モジュールの外周面と前記外管の内周面との隙間にそれぞれ絶縁流体を封入することを特徴とする熱交換器。