JP2013157437A - Thermoelectric generator - Google Patents

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JP2013157437A JP2012016478A JP2012016478A JP2013157437A JP 2013157437 A JP2013157437 A JP 2013157437A JP 2012016478 A JP2012016478 A JP 2012016478A JP 2012016478 A JP2012016478 A JP 2012016478A JP 2013157437 A JP2013157437 A JP 2013157437A
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Muneaki Ogawa
宗晃 小川
Keisuke Sawada
圭祐 澤田
Shoji Shimazaki
翔士 嶋崎
Mitsunori Ito
充則 伊藤
Haruna Sakano
遥奈 坂野
Saeko Miwa
早枝子 三輪
Kentaro Kimoto
健太郎 木本
Kenji Sakai
健二 坂井
Seiichi Deguchi
清一 出口
Noribumi Isu
紀文 井須
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric generator utilizing the Seebeck effects with which performance reduction of an overall module caused by a failure of a P-type, N-type semiconductor parts can be suppressed and output can be improved.SOLUTION: P-type, N-type semiconductor parts 30, 40 of a thermoelectric generator include first P-type, N-type semiconductors 310, 410 of which one-side terminals 312, 412 are connected to a heat receiving part 10 and the other-side terminals 314, 414 are connected to a heat radiating part 20, and second P-type, N-type semiconductors 320, 420 of which one-side terminals 322, 422 are connected to the heat receiving part 10 and the other-side terminals 324, 424 are connected to the heat radiating part 20. Thus, even in the case where one of two, three or more of semiconductors disposed in parallel fails, energy conduction between one terminal and the other terminal of the semiconductor part can be ensured by the other semiconductor. Furthermore, the heat radiating part 20 is configured into a flexible electrode including a cavity and a fluorine-based inert liquid may be used for a low temperature fluid so as to conduct boiling heat transfer with the cavity.

Description

本発明は、互いに接合されたP型半導体およびN型半導体を備え、それらの両端部における温度差に基づいて電気エネルギを生成する熱電発電装置であって、所謂ゼーベック効果を利用した熱電変換装置に関する。   The present invention relates to a thermoelectric power generation device that includes a P-type semiconductor and an N-type semiconductor bonded to each other, and generates electric energy based on a temperature difference between both ends thereof, and relates to a thermoelectric conversion device using a so-called Seebeck effect. .

エネルギ変換機器等からの廃熱を有効に利用するための手法の一つとして、廃熱からの電気回生が挙げられる。その電気回生のための装置としては、以下の熱電発電装置が知られている。その熱電発電装置は、一端が受熱部に接続されるとともに他端が放熱部に接続されたP型半導体部と、一端が受熱部に接続されるとともに他端が放熱部に接続されたN型半導体部とを備えている。即ち、上記熱電発電装置は、所謂ゼーベック効果を利用した熱電変換装置である。   One of the methods for effectively using waste heat from energy conversion devices is electric regeneration from waste heat. The following thermoelectric generators are known as devices for the electrical regeneration. The thermoelectric generator has a P-type semiconductor part having one end connected to the heat receiving part and the other end connected to the heat radiating part, and an N type having one end connected to the heat receiving part and the other end connected to the heat radiating part. And a semiconductor part. That is, the thermoelectric generator is a thermoelectric converter that utilizes the so-called Seebeck effect.

この熱電発電装置では、上記受熱部は高温流体より受熱する一方で、放熱部は低温流体へ放熱するようになっている。これにより、P型半導体部およびN型半導体部における一端と他端との間に、温度差が生じる。この温度差に基づいて、電気エネルギが生成されるようになっている。   In this thermoelectric generator, the heat receiving portion receives heat from the high temperature fluid, while the heat radiating portion radiates heat to the low temperature fluid. This causes a temperature difference between one end and the other end of the P-type semiconductor portion and the N-type semiconductor portion. Based on this temperature difference, electrical energy is generated.

この生成される電気エネルギは、上記温度差が大きいほど大きくなる。従って、発電効率の向上に際しては、上記温度差を大きくすることが好適である。そのための技術的アプローチは、下記特許文献1にて記述されている。   The generated electrical energy increases as the temperature difference increases. Therefore, it is preferable to increase the temperature difference when improving the power generation efficiency. A technical approach for this is described in Patent Document 1 below.

米国特許5737923号US Pat. No. 5,737,923

上記特許文献1に記載の熱電変換装置によれば、高温流体が気体状態で受熱部に導入されて、受熱部にて凝縮することで、受熱部が受熱するようになっている。他方、低温流体が液体状態で放熱部に導入されて、放熱部にて蒸発することで、放熱部が放熱するようになっている。即ち、受熱部および放熱部における伝熱形態は、高温熱流体および低温流体それぞれの相変化を伴うようになっている。   According to the thermoelectric conversion device described in Patent Document 1, a high-temperature fluid is introduced into a heat receiving part in a gaseous state and condensed in the heat receiving part, whereby the heat receiving part receives heat. On the other hand, the low-temperature fluid is introduced into the heat radiating portion in a liquid state and evaporated at the heat radiating portion, so that the heat radiating portion radiates heat. That is, the heat transfer forms in the heat receiving part and the heat radiating part are accompanied by respective phase changes of the high temperature hot fluid and the low temperature fluid.

一般に、対流伝熱において、相変化を伴う伝熱形態(即ち、凝縮伝熱および沸騰伝熱)での伝熱量は、相変化を伴わないものに比べて格段に大きくなる。従って、受熱部での凝縮伝熱により、P,N型半導体部の一端への伝熱抵抗が小さくなる。同様に、放熱部での沸騰伝熱により、P,N型半導体部の他端からの伝熱抵抗が小さくなる。このため、P,N型半導体部の一端における温度は高温流体の温度に近づき、P,N型半導体部の他端における温度は低温流体の温度に近づき得る。   In general, in convective heat transfer, the amount of heat transfer in a heat transfer mode that accompanies a phase change (that is, condensation heat transfer and boiling heat transfer) is significantly larger than that that does not involve phase change. Therefore, the heat transfer resistance to one end of the P and N type semiconductor parts is reduced by the condensed heat transfer in the heat receiving part. Similarly, the heat transfer resistance from the other end of the P, N type semiconductor portion is reduced by boiling heat transfer in the heat radiating portion. For this reason, the temperature at one end of the P and N type semiconductor part may approach the temperature of the high temperature fluid, and the temperature at the other end of the P and N type semiconductor part may approach the temperature of the low temperature fluid.

この結果、上記一端から上記他端に亘る距離に対する温度勾配が、大きくなる。すなわち上記温度差が大きくなり得、相変化を伴わない伝熱形態の場合に比して、発電効率の向上が期待される。   As a result, the temperature gradient with respect to the distance from the one end to the other end increases. That is, the temperature difference can be large, and improvement in power generation efficiency is expected as compared with a heat transfer mode without phase change.

ところで、一般に、熱電変換装置におけるP,N型半導体部は、交互かつ直列的に積層モジュール化されて利用される。この場合、何らかの理由により、少なくとも1セクションのP型半導体部またはN型半導体部が故障したときは、交互かつ直列的な積層のため、モジュールにおけるエネルギ導通が遮断される。この結果、モジュール全体の性能が大きく低下するおそれがある。   By the way, in general, the P and N type semiconductor parts in the thermoelectric conversion device are used in a stacked module alternately and in series. In this case, when at least one section of the P-type semiconductor portion or the N-type semiconductor portion fails for some reason, the energy conduction in the module is cut off due to the alternate and serial stacking. As a result, the performance of the entire module may be greatly deteriorated.

特に、上記特許文献1に記載の熱電変換装置のように、P,N半導体部における一端と他端との温度差が大きい場合、P,N半導体部の熱歪みも大きくなる。このため、P,N半導体部の機械的故障が発生する可能性が大きい。従って、上記温度差が大きくなるよう構成された熱電変換装置においては、故障によるモジュール全体の性能低下の頻度が、大きくなるという問題があった。上記特許文献1に記載の技術においても、この問題への対策が何ら施されていなかった。   In particular, when the temperature difference between one end and the other end of the P, N semiconductor portion is large as in the thermoelectric conversion device described in Patent Document 1, the thermal distortion of the P, N semiconductor portion also increases. For this reason, there is a high possibility of mechanical failure of the P and N semiconductor parts. Therefore, in the thermoelectric conversion device configured to increase the temperature difference, there is a problem that the frequency of performance degradation of the entire module due to failure increases. In the technique described in Patent Document 1 as well, no countermeasures against this problem have been taken.

従って、本発明の目的は、上記P,N型半導体部における一端と他端との間における温度差を大きくとり得、且つ、P,N型半導体部の故障によるモジュール全体の性能低下を抑制し得るものを提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to allow a large temperature difference between one end and the other end of the P, N type semiconductor part, and to suppress degradation of the performance of the entire module due to a failure of the P, N type semiconductor part. It is to provide what you get.

本発明は、高温流体から受熱する受熱部と、低温流体へ放熱する放熱部と、一端が受熱部に接続されるとともに他端が放熱部に接続されたP型半導体部と、一端が受熱部に接続されるとともに他端が放熱部に接続されたN型半導体部とを備え、受熱部または放熱部における伝熱形態が、高温流体または低温流体の相変化を伴うように構成され、P型半導体部およびN型半導体部における一端と他端との温度差に基づいて、電気エネルギを生成する熱電発電装置(所謂、ゼーベック効果を利用した熱電変換装置)に適用される。   The present invention includes a heat receiving portion that receives heat from a high temperature fluid, a heat radiating portion that radiates heat to a low temperature fluid, a P-type semiconductor portion having one end connected to the heat receiving portion and the other end connected to the heat radiating portion, and one end receiving the heat receiving portion. And an N-type semiconductor portion connected to the heat radiating portion at the other end, and the heat transfer form in the heat receiving portion or the heat radiating portion is configured to involve a phase change of the high-temperature fluid or the low-temperature fluid. The present invention is applied to a thermoelectric power generation device (a so-called thermoelectric conversion device using the Seebeck effect) that generates electric energy based on a temperature difference between one end and the other end of the semiconductor portion and the N-type semiconductor portion.

ここにおいて、高温流体とは、低温流体が有するバルク温度よりも高いバルク温度を有する流体を意味する。   Here, the high temperature fluid means a fluid having a bulk temperature higher than that of the low temperature fluid.

本発明にかかる熱電発電装置の特徴は、P型半導体部が、少なくとも、一端が受熱部に接続されるとともに他端が放熱部に接続された第1P型半導体と、第1P型半導体に並列に配置されて、一端が受熱部に接続されるとともに他端が放熱部に接続された第2P型半導体とを備え、N型半導体部が、少なくとも、一端が受熱部に接続されるとともにが前記放熱部に接続された第1N型半導体と、第1N型半導体に並列に配置されて、一端が受熱部に接続されるとともに他端が放熱部に接続された第2N型半導体とを備えていることにある。   A feature of the thermoelectric generator according to the present invention is that a P-type semiconductor portion is parallel to at least a first P-type semiconductor having one end connected to a heat receiving portion and the other end connected to a heat dissipation portion, and the first P-type semiconductor. And a second P-type semiconductor having one end connected to the heat receiving portion and the other end connected to the heat radiating portion. The N type semiconductor portion has at least one end connected to the heat receiving portion and the heat radiating. A first N-type semiconductor connected to the first portion, and a second N-type semiconductor disposed in parallel to the first N-type semiconductor, having one end connected to the heat receiving portion and the other end connected to the heat radiating portion. It is in.

これによれば、P型半導体部において、第1または第2P型半導体のうち、一方が故障した場合であっても、他方によりP型半導体部の一端・他端間のエネルギ導通が確保され得る。同様に、N型半導体部において、第1または第2N型半導体のうち、一方が故障した場合であっても、他方によりN型半導体部の一端・他端間のエネルギ導通が確保され得る。   According to this, in the P-type semiconductor part, even if one of the first or second P-type semiconductors fails, the other can ensure energy conduction between one end and the other end of the P-type semiconductor part. . Similarly, in the N-type semiconductor unit, even if one of the first or second N-type semiconductors fails, energy conduction between one end and the other end of the N-type semiconductor unit can be ensured by the other.

このP,N半導体の並列個数を増やすことで、更に、一部故障によるエネルギ導通確保が可能となる。   By increasing the number of parallel P and N semiconductors, it is possible to secure energy conduction due to a partial failure.

従って、例えば、上記構成のP型半導体部とN型半導体部とを交互かつ直列的に積層させてモジュール化した場合にて、半導体に故障が生じた場合であっても、導通が遮断される事態が大幅に低減し得る。このため、モジュール全体としての性能低下が抑制され得る。他方、受熱部または放熱部における伝熱は、流体の相変化を伴う伝熱形態となる。このため、P,N半導体部の一端と他端との間の温度差が大きくなり得、発電効率が大きくなり得る。   Therefore, for example, when the P-type semiconductor portion and the N-type semiconductor portion having the above configuration are alternately and serially stacked to form a module, conduction is cut off even when a failure occurs in the semiconductor. Things can be greatly reduced. For this reason, the performance fall as the whole module can be suppressed. On the other hand, the heat transfer in the heat receiving part or the heat radiating part is in a heat transfer form accompanied by a fluid phase change. For this reason, the temperature difference between the one end and the other end of the P and N semiconductor parts can be increased, and the power generation efficiency can be increased.

以上より、上記構成によれば、上記温度差を大きくとり得、且つ、P,N型半導体部の故障によるモジュール全体の性能低下が抑制され得る。   As described above, according to the above configuration, the temperature difference can be increased, and the performance degradation of the entire module due to the failure of the P and N type semiconductor units can be suppressed.

また、本発明にかかる熱電発電装置においては、放熱部は、低温流体の気化を伴うことで放熱が達成されるように構成され、気化した低温流体を液化状態で放熱部へ復液させるために凝縮液化させる凝縮部が更に備えられると好適である。   Further, in the thermoelectric power generation device according to the present invention, the heat radiating section is configured to achieve heat radiation by accompanying vaporization of the low temperature fluid, in order to return the vaporized low temperature fluid to the heat radiating section in a liquefied state. It is preferable that a condensing unit for condensing and liquefying is further provided.

上記構成によれば、放熱部にて一旦気化した低温流体が、凝縮液化を経て、再び放熱部にて利用され得る。即ち、低温流体の流通系統が循環系に構成され得、低温流体の系外への放出を防ぐことができる。   According to the said structure, the low temperature fluid once vaporized in the heat radiating part can be utilized in a heat radiating part again through condensate liquefaction. That is, the circulation system of the low temperature fluid can be configured as a circulation system, and release of the low temperature fluid to the outside of the system can be prevented.

加えて、凝縮部にて低温流体が凝縮液化する際、凝縮潜熱が発生する。この凝縮潜熱は、放熱部での気化潜熱と等価となる。即ち、潜熱に相当する熱量が、放熱部から凝縮部へ輸送されることになる。従って、例えば、凝縮部を熱要求部へ設置する等、低温流体の凝縮熱を有効利用するための自由度が大きくなり得る。   In addition, when the low-temperature fluid is condensed and liquefied in the condensing part, condensation latent heat is generated. This condensation latent heat is equivalent to the vaporization latent heat in the heat radiating section. That is, the amount of heat corresponding to latent heat is transported from the heat radiating unit to the condensing unit. Therefore, for example, the degree of freedom for effectively using the heat of condensation of the low-temperature fluid can be increased, such as installing the condensing unit in the heat requesting unit.

本発明にかかる熱電発電装置においては、低温流体がフッ素系不活性液体であることが好適である。このフッ素系不活性液体の沸点は、30〜60℃付近にて調整され得る。   In the thermoelectric generator according to the present invention, the low-temperature fluid is preferably a fluorine-based inert liquid. The boiling point of the fluorinated inert liquid can be adjusted around 30 to 60 ° C.

ところで、一般に、燃料電池やエンジン等のエネルギ変換器において、その廃熱として、温度が80〜110℃程度の低温廃熱が多量に生成される。この低温廃熱を高温流体の熱として受熱部に受け渡す場合、放熱部側の温度は、上記低温廃熱より低くなると想定される。従って、この放熱部側の温度は、上述したフッ素系不活性液体の沸点にマッチさせ易いものと言える。即ち、低温流体としてフッ素系不活性液体を用いることで、高温流体側にエネルギ変換器の低温廃熱を利用することができる。   By the way, generally, in an energy converter such as a fuel cell or an engine, a large amount of low-temperature waste heat having a temperature of about 80 to 110 ° C. is generated as waste heat. When this low-temperature waste heat is transferred to the heat receiving unit as heat of the high-temperature fluid, the temperature on the heat radiating unit side is assumed to be lower than the low-temperature waste heat. Therefore, it can be said that the temperature on the heat radiating portion side is easily matched with the boiling point of the above-described fluorine-based inert liquid. That is, by using a fluorinated inert liquid as the low temperature fluid, the low temperature waste heat of the energy converter can be used on the high temperature fluid side.

上記構成は、かかる知見に基づくものである。これによれば、発電の駆動源としてエネルギ変換器の低温廃熱が利用され得るので、低質で多量の熱が電気に変換され得る。このため、エネルギ変換器を含むシステムに導入されることで、システム全体の効率を向上させることができる。   The said structure is based on this knowledge. According to this, since the low-temperature waste heat of the energy converter can be used as a drive source for power generation, a large amount of low-quality heat can be converted into electricity. For this reason, the efficiency of the whole system can be improved by being introduced into the system including the energy converter.

加えて、フッ素系不活性液体は、不活性であるため電気絶縁性が大きく、金属を腐食させない特性を有する。従って、フッ素系不活性液体と接触する放熱部を金属で構成し、放熱部に電極の機能をもたせる構成が可能となる。これにより、P,N半導体部の他端と低温流体との間における伝熱抵抗が、更に小さくされ得る。このため、P,N型半導体部の他端における温度は、低温流体の温度に更に近づき得る。この結果、上記温度差が更に大きくなり得る。   In addition, since the fluorinated inert liquid is inactive, it has a large electrical insulation property and does not corrode metals. Accordingly, it is possible to configure the heat dissipating part in contact with the fluorinated inert liquid with a metal so that the heat dissipating part has an electrode function. Thereby, the heat transfer resistance between the other end of the P and N semiconductor part and the low temperature fluid can be further reduced. For this reason, the temperature at the other end of the P-type and N-type semiconductor portions can be closer to the temperature of the low-temperature fluid. As a result, the temperature difference can be further increased.

また、本発明にかかる熱電発電装置においては、P型半導体部及びN型半導体部が、P型半導体部の一端とN型半導体部の一端とがそれぞれ対面し、且つ、P型半導体部の他端とN型半導体部の他端とがそれぞれ対面するように、交互に配設され、受熱部が、対面しているP型半導体部の一端、及びN型半導体部の一端の間に介装されて、P,N型半導体部それぞれの一端との接続がなされ、放熱部が、対面しているP型半導体部の他端、及びN型半導体部の他端の間に介装されて、P,N型半導体部それぞれの他端との接続がなされるよう構成されてもよい。即ち、受熱部、放熱部、P型半導体部、及びN型半導体部が、いわゆるT型熱電変換素子を形成するようそれぞれ構成されてもよい。   In the thermoelectric generator according to the present invention, the P-type semiconductor portion and the N-type semiconductor portion are arranged such that one end of the P-type semiconductor portion and one end of the N-type semiconductor portion face each other, and other than the P-type semiconductor portion. The ends and the other end of the N-type semiconductor part are alternately arranged so that the heat receiving part is interposed between one end of the facing P-type semiconductor part and one end of the N-type semiconductor part. Then, connection is made to one end of each of the P and N type semiconductor parts, and the heat radiating part is interposed between the other end of the P type semiconductor part facing the other end of the N type semiconductor part, You may comprise so that the connection with the other end of each of a P and N type semiconductor part may be made. That is, the heat receiving portion, the heat radiating portion, the P-type semiconductor portion, and the N-type semiconductor portion may be configured to form a so-called T-type thermoelectric conversion element.

これによれば、受熱部にて受熱した熱を、P,N型半導体部の一端に直接的に伝達し得、P,N型半導体部の他端からの熱を、放熱部に直接的に伝達し得る。このため、高温流体(低温流体)とP,N型半導体部の一端(他端)との間の伝熱抵抗が、小さくされ得る。   According to this, the heat received by the heat receiving part can be directly transferred to one end of the P, N type semiconductor part, and the heat from the other end of the P, N type semiconductor part can be directly transferred to the heat radiating part. Can communicate. For this reason, the heat transfer resistance between the high-temperature fluid (low-temperature fluid) and one end (the other end) of the P or N type semiconductor part can be reduced.

また、本発明にかかる熱電発電装置においては、低温流体がフッ素系不活性液体であり、放熱部が、空隙を有する材料により構成されることで、対面しているP型半導体部の他端及びN型半導体部の他端の間への、フッ素系不活性液体の侵入を許容するよう構成されるとともに、フッ素系不活性液体の気化を伴うことで放熱が達成されるように構成され、気化したフッ素系不活性液体を、液化状態で放熱部へ復液させるために、凝縮液化させる凝縮部を更に備えると好適である。   Further, in the thermoelectric generator according to the present invention, the low-temperature fluid is a fluorine-based inert liquid, and the heat radiating part is made of a material having a gap, so that the other end of the facing P-type semiconductor part and It is configured to allow the penetration of the fluorine-based inert liquid between the other ends of the N-type semiconductor part, and is configured to achieve heat dissipation by accompanying the vaporization of the fluorine-based inert liquid. In order to return the fluorinated inert liquid to the heat radiating part in a liquefied state, it is preferable to further include a condensing part for condensing and liquefying.

これによれば、対面しているP型半導体部の他端及びN型半導体部の他端の間にて、放熱部の空隙が存在することになる。この空隙を介して、フッ素系不活性液体が、P型半導体部の他端及びN型半導体部の他端に向かって侵入し得る。従って、フッ素系不活性液体が、これらの他端に近づき得、それぞれの他端より直接的に熱伝達され得る。このため、熱伝達に際して熱抵抗が抑制され得るので、P,N型半導体部の他端における温度は、低温流体の温度に更に近づき得る。この結果、上記温度差が更に大きくなり得る。   According to this, the space | gap of a thermal radiation part exists between the other end of the P-type semiconductor part which faces, and the other end of an N-type semiconductor part. Through this void, the fluorine-based inert liquid can enter toward the other end of the P-type semiconductor portion and the other end of the N-type semiconductor portion. Accordingly, the fluorinated inert liquid can approach these other ends and can transfer heat directly from each other end. For this reason, since thermal resistance can be suppressed during heat transfer, the temperature at the other end of the P and N type semiconductor parts can be closer to the temperature of the low temperature fluid. As a result, the temperature difference can be further increased.

加えて、放熱部に空隙が存在することにより、放熱部に弾性が発現し得る。このため、例えば、P,N型半導体部に、熱負荷や外部振動に基づき応力が生じる場合、放熱部の弾性により応力が緩和され得る。従って、上述のような応力が生じる場合であっても、P,N型半導体部の他端(一端)と、放熱部(受熱部)と接続が維持され得る。この結果、P,N型半導体部の一端・他端間のエネルギ導通が確保され得る。   In addition, the presence of voids in the heat radiating part can exhibit elasticity in the heat radiating part. For this reason, for example, when a stress is generated in the P, N type semiconductor part based on a thermal load or external vibration, the stress can be relieved by the elasticity of the heat radiation part. Therefore, even when the stress as described above occurs, the connection between the other end (one end) of the P and N type semiconductor portion and the heat radiating portion (heat receiving portion) can be maintained. As a result, energy conduction between one end and the other end of the P and N type semiconductor portions can be ensured.

なお、受熱部、放熱部、P型半導体部、及びN型半導体部が、π型熱電変換素子を形成するよう構成されてもよい。これによれば、素子構造を簡素に構成し得るため、製造コストが低減され得る。   The heat receiving part, the heat radiating part, the P-type semiconductor part, and the N-type semiconductor part may be configured to form a π-type thermoelectric conversion element. According to this, since the element structure can be simply configured, the manufacturing cost can be reduced.

本発明によれば、P,N型半導体部における一端と他端との間における温度差を大きくとり得、且つ、P,N型半導体部の故障によるモジュール全体の性能低下が抑制され得る。   According to the present invention, the temperature difference between one end and the other end of the P, N type semiconductor part can be made large, and the performance degradation of the entire module due to the failure of the P, N type semiconductor part can be suppressed.

本発明の第1実施形態に係る熱電発電装置の概略構成を示す図である。It is a figure showing a schematic structure of a thermoelectric power generator concerning a 1st embodiment of the present invention. 図1に示した熱電変換素子の詳細を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the detail of the thermoelectric conversion element shown in FIG. 本発明の第2実施形態に係る熱電発電装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the thermoelectric power generating apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention.

1 熱電発電装置
10 受熱部
20 放熱部
24 空隙
30 P型半導体部
32 一端
34 他端
40 N型半導体部
42 一端
44 他端
50 高温流体通路
60 低温流体通路
70 凝縮部
82 密閉空間
310 第1P型半導体
312 一端
314 他端
320 第2P型半導体
322 一端
324 他端
410 第1N型半導体
412 一端
414 他端
420 第2N型半導体
422 一端
424 他端
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermoelectric power generation device 10 Heat receiving part 20 Heat radiation part 24 Air gap 30 P type semiconductor part 32 One end 34 Other end 40 N type semiconductor part 42 One end 44 Other end 50 High temperature fluid passage 60 Low temperature fluid passage 70 Condensing part 82 Sealed space 310 1st P type Semiconductor 312 One end 314 Other end 320 Second P-type semiconductor 322 One end 324 Other end 410 First N-type semiconductor 412 One end 414 Other end 420 Second N-type semiconductor 422 One end 424 Other end

以下、本発明による熱電発電装置の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。   Embodiments of a thermoelectric generator according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態にかかる熱電発電装置1を示す図である。熱電発電装置1は、受熱部10、放熱部20、P型半導体部30、及びN型半導体部40を備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a thermoelectric generator 1 according to a first embodiment of the present invention. The thermoelectric generator 1 includes a heat receiving unit 10, a heat radiating unit 20, a P-type semiconductor unit 30, and an N-type semiconductor unit 40.

受熱部10は、それぞれ矩形プレート状に形成され、その先端部12が、高温流体通路50に位置するよう配設されている。受熱部10のプレートを構成する部材は、熱および電気を導通し易い金属である。高温流体通路50を流通する高温流体は、ここでは、車両エンジンとラジエータを循環する冷却液媒体であって、110℃付近の温度を有する。即ち、受熱部10では、その先端部12が、高温流体から受熱するフィンの機能を奏するようになっている。   Each of the heat receiving portions 10 is formed in a rectangular plate shape, and the tip portion 12 thereof is disposed so as to be positioned in the high temperature fluid passage 50. The member which comprises the plate of the heat receiving part 10 is a metal which is easy to conduct heat and electricity. Here, the high-temperature fluid flowing through the high-temperature fluid passage 50 is a coolant medium that circulates between the vehicle engine and the radiator, and has a temperature of around 110 ° C. That is, in the heat receiving part 10, the front-end | tip part 12 has a function of the fin which receives heat from a high temperature fluid.

放熱部20は、それぞれ矩形プレート状に形成され、その先端部22が、低温流体通路60に位置するよう配設されている。放熱部20のプレートを構成する部材は、熱および電気を導通し易い金属である。低温流体通路60を流通する低温流体は、ここでは、フッ素系不活性液体であって、30〜60℃の沸点を有する。即ち、放熱部20では、その先端部22が、低温流体へ放熱するフィンの機能を奏するようになっている。   Each of the heat radiating portions 20 is formed in a rectangular plate shape, and the tip portion 22 thereof is disposed so as to be positioned in the low temperature fluid passage 60. The member which comprises the plate of the thermal radiation part 20 is a metal which is easy to conduct | electrically_connect a heat | fever and electricity. Here, the cryogenic fluid flowing through the cryogenic fluid passage 60 is a fluorine-based inert liquid and has a boiling point of 30 to 60 ° C. That is, in the heat radiating part 20, the tip part 22 has a function of a fin that radiates heat to the low temperature fluid.

更に、これらプレート状の受熱部10と放熱部20とは、そのプレート面方向に、1枚ずつ交互に配設されている。   Furthermore, these plate-shaped heat receiving portions 10 and heat radiating portions 20 are alternately arranged one by one in the plate surface direction.

P型半導体部30は、受熱部10と放熱部20との間隙一つおきに介装されている。P型半導体部30の一端32は、受熱部10の先端部12の反対側に、プレート面と対向するよう接続されている。P型半導体部30の他端34は、放熱部20の先端部22の反対側に、プレート面と対向するよう接続されている。   The P-type semiconductor unit 30 is interposed every other gap between the heat receiving unit 10 and the heat radiating unit 20. One end 32 of the P-type semiconductor unit 30 is connected to the opposite side of the tip 12 of the heat receiving unit 10 so as to face the plate surface. The other end 34 of the P-type semiconductor unit 30 is connected to the opposite side of the tip 22 of the heat radiating unit 20 so as to face the plate surface.

N型半導体部40は、受熱部10と放熱部20との間隙一つおきに、且つ、上記P型半導体部30が介装されていない間隙に介装されている。N型半導体部40の一端42は、受熱部10の先端部12の反対側に、プレート面と対向するよう接続されている。N型半導体部40の他端44は、放熱部20の先端部22の反対側に、プレート面と対向するよう接続されている。   The N-type semiconductor part 40 is interposed in every other gap between the heat receiving part 10 and the heat radiating part 20 and in a gap where the P-type semiconductor part 30 is not interposed. One end 42 of the N-type semiconductor unit 40 is connected to the opposite side of the tip 12 of the heat receiving unit 10 so as to face the plate surface. The other end 44 of the N-type semiconductor unit 40 is connected to the opposite side of the tip 22 of the heat dissipation unit 20 so as to face the plate surface.

このように、P型半導体部30およびN型半導体部40は、受熱部10と放熱部20とを挟みつつ、そのプレート面方向に、交互かつ直列的に積層されている。なお、放熱部20は、P型半導体部30およびN型半導体部40にて生成される電気を外部へ伝達するための電極機能も兼ね備える。   As described above, the P-type semiconductor unit 30 and the N-type semiconductor unit 40 are alternately and serially stacked in the plate surface direction with the heat receiving unit 10 and the heat radiating unit 20 interposed therebetween. The heat dissipation unit 20 also has an electrode function for transmitting electricity generated by the P-type semiconductor unit 30 and the N-type semiconductor unit 40 to the outside.

即ち、P型半導体部30およびN型半導体部40は、一端32,42および他端34,44がそれぞれ対面するように交互に配設される。ここにおいて、受熱部10は、対面している一端32,42の間に介装されて、P,N型半導体部30,40それぞれの一端32,42との接続がなされる。また、放熱部20は、対面している他端34,44の間に介装されて、P,N型半導体部30,40それぞれの他端34,44との接続がなされる。以上より、受熱部10、放熱部20、P型半導体部30、及びN型半導体部40は、いわゆるT型熱電変換素子を形成することになる。   That is, the P-type semiconductor unit 30 and the N-type semiconductor unit 40 are alternately arranged so that the one ends 32 and 42 and the other ends 34 and 44 face each other. Here, the heat receiving unit 10 is interposed between the facing ends 32 and 42 and is connected to the ends 32 and 42 of the P and N type semiconductor units 30 and 40, respectively. Further, the heat dissipating part 20 is interposed between the other ends 34 and 44 facing each other, and is connected to the other ends 34 and 44 of the P and N type semiconductor parts 30 and 40, respectively. As described above, the heat receiving unit 10, the heat radiating unit 20, the P-type semiconductor unit 30, and the N-type semiconductor unit 40 form a so-called T-type thermoelectric conversion element.

高温流体通路50は、絶縁断熱部52を介して上記積層構造と区画されている。絶縁断熱部52は、放熱部20、P型半導体部30、及びN型半導体部40と、高温流体とを絶縁断熱するようになっている。高温流体通路50は、上流より上記廃熱を含む液媒体が流入し、その液媒体が後流へ流出していくよう開放系となっている。   The high-temperature fluid passage 50 is partitioned from the laminated structure via the insulating heat insulating portion 52. The insulating heat insulation part 52 insulates and insulates the heat radiation part 20, the P-type semiconductor part 30, the N-type semiconductor part 40, and the high-temperature fluid. The high-temperature fluid passage 50 has an open system so that the liquid medium containing the waste heat flows in from the upstream and the liquid medium flows out to the downstream.

低温流体通路60は、絶縁断熱部62を介して上記積層構造と区画されている。絶縁断熱部62は、受熱部10、P型半導体部30、及びN型半導体部40と、低温流体とを絶縁断熱するようになっている。低温流体通路60は、密閉回路となっており、上記フッ素系不活性液体が密閉回路を循環するようになっている。この循環の駆動源として、低温流体通路60に、液体輸送手段64が備えられている。   The low-temperature fluid passage 60 is partitioned from the laminated structure via the insulating heat insulating portion 62. The insulating heat insulation part 62 insulates and insulates the heat receiving part 10, the P-type semiconductor part 30, the N-type semiconductor part 40, and the low-temperature fluid. The low-temperature fluid passage 60 is a sealed circuit, and the fluorine-based inert liquid circulates in the sealed circuit. A liquid transport means 64 is provided in the low temperature fluid passage 60 as a driving source for this circulation.

なお、この低温流体通路60の密閉回路内には、流体として、フッ素系不活性液体およびその蒸気のみが存在するようになっている。即ち、窒素、酸素等の不凝縮ガスが存在しない。この密閉系を形成するにあたり、予め密閉回路を真空引きした後に、フッ素系不活性液体のみを封入することが好ましい。なお、低温流体通路60をフッ素系不活性液体で満たし、適量を残して吸引抜き取りすることで密閉系を形成しても構わない。   In the sealed circuit of the low-temperature fluid passage 60, only a fluorine-based inert liquid and its vapor are present as fluid. That is, there is no non-condensable gas such as nitrogen or oxygen. In forming this sealed system, it is preferable to enclose only the fluorinated inert liquid after evacuating the sealed circuit in advance. Note that the closed system may be formed by filling the cryogenic fluid passage 60 with a fluorine-based inert liquid and suctioning and leaving an appropriate amount.

更に、本実施形態にかかる熱電発電装置は、凝縮部70を備えている。この凝縮部70は、上記密閉回路の低温流体通路60に配設されており、放熱部20よりも後流且つ液輸送手段64よりも上流に、介装されている。凝縮部70での凝縮工程は、速やかに実施され得る。これは、低温流体通路60の密閉回路内に、不凝縮ガスが存在しないことに基づく。即ち、凝縮部70にて、フッ素系不活性液体蒸気の拡散・凝縮を妨げる因子が、予め除去されているからである。   Furthermore, the thermoelectric generator according to the present embodiment includes a condensing unit 70. The condensing unit 70 is disposed in the low-temperature fluid passage 60 of the sealed circuit, and is interposed downstream of the heat dissipating unit 20 and upstream of the liquid transport means 64. The condensing step in the condensing unit 70 can be performed quickly. This is based on the absence of non-condensable gas in the closed circuit of the cryogenic fluid passage 60. That is, in the condensing unit 70, factors that prevent diffusion / condensation of the fluorine-based inert liquid vapor are removed in advance.

図2は、図1に示した熱電変換素子の詳細を説明するための図である。   FIG. 2 is a diagram for explaining details of the thermoelectric conversion element shown in FIG. 1.

P型半導体部30は、第1P型半導体310と、第2P型半導体320とを備えている。第1P型半導体310および第2P型半導体320は、受熱部10および放熱部20のプレート面方向に対して並列に配置されている。第1P型半導体310の一端312、及び第2P型半導体320の一端322は、それぞれ面一となっており、P型半導体部30の一端32を構成している。第1P型半導体310の他端314、及び第2P型半導体320の他端324も、それぞれ面一となっており、P型半導体部30の他端34を構成している。   The P-type semiconductor unit 30 includes a first P-type semiconductor 310 and a second P-type semiconductor 320. The first P-type semiconductor 310 and the second P-type semiconductor 320 are arranged in parallel to the plate surface direction of the heat receiving unit 10 and the heat radiating unit 20. One end 312 of the first P-type semiconductor 310 and one end 322 of the second P-type semiconductor 320 are flush with each other, and constitute one end 32 of the P-type semiconductor unit 30. The other end 314 of the first P-type semiconductor 310 and the other end 324 of the second P-type semiconductor 320 are also flush with each other and constitute the other end 34 of the P-type semiconductor unit 30.

即ち、第1P型半導体310の一端312(他端314)、及び第2P型半導体320の一端322(他端324)は、受熱部10の先端部12(放熱部20の先端部22)の反対側に、プレート面と対向するよう接続されている。   That is, one end 312 (the other end 314) of the first P-type semiconductor 310 and one end 322 (the other end 324) of the second P-type semiconductor 320 are opposite to the distal end portion 12 of the heat receiving portion 10 (the distal end portion 22 of the heat radiating portion 20). On the side, it is connected to face the plate surface.

N型半導体部40は、第1N型半導体410と、第2N型半導体420とを備えている。第1N型半導体410および第2N型半導体420は、受熱部10および放熱部20のプレート面方向に対して並列に配置されている。第1N型半導体410の一端412、及び第2N型半導体420の一端422は、それぞれ面一となっており、N型半導体部40の一端42を構成している。第1N型半導体410の他端414、及び第2N型半導体420の他端424も、それぞれ面一となっており、N型半導体部40の他端44を構成している。   The N-type semiconductor unit 40 includes a first N-type semiconductor 410 and a second N-type semiconductor 420. The first N-type semiconductor 410 and the second N-type semiconductor 420 are arranged in parallel to the plate surface direction of the heat receiving unit 10 and the heat radiating unit 20. One end 412 of the first N-type semiconductor 410 and one end 422 of the second N-type semiconductor 420 are flush with each other, and constitute one end 42 of the N-type semiconductor unit 40. The other end 414 of the first N-type semiconductor 410 and the other end 424 of the second N-type semiconductor 420 are also flush with each other, and constitute the other end 44 of the N-type semiconductor unit 40.

即ち、第1N型半導体410の一端412(他端414)、及び第2N型半導体420の一端422(他端424)は、受熱部10の先端部12(放熱部20の先端部22)の反対側に、プレート面と対向するよう接続されている。このように、T型熱電変換素子を形成する熱電変換素子は、P型半導体部30、及びN型半導体部40として、プレート面方向に並列的に、第1,第2P型半導体310,320、及び第1,第2N型半導体410,420をそれぞれ備える。なお、このP,N半導体の並列個数を2組以上としても構わない。以上が、第1実施形態にかかる熱電発電装置1の構成についての説明である。   That is, one end 412 (the other end 414) of the first N-type semiconductor 410 and one end 422 (the other end 424) of the second N-type semiconductor 420 are opposite to the distal end portion 12 of the heat receiving portion 10 (the distal end portion 22 of the heat radiating portion 20). On the side, it is connected to face the plate surface. As described above, the thermoelectric conversion elements forming the T-type thermoelectric conversion elements include the first and second P-type semiconductors 310 and 320 in parallel in the plate surface direction as the P-type semiconductor unit 30 and the N-type semiconductor unit 40. And first and second N-type semiconductors 410 and 420, respectively. Note that the number of parallel P and N semiconductors may be two or more. The above is the description of the configuration of the thermoelectric generator 1 according to the first embodiment.

次に、上述のように構成された第1実施形態にかかる熱電発電装置1の作動について、説明する。   Next, the operation of the thermoelectric generator 1 according to the first embodiment configured as described above will be described.

図示しない車両エンジンの駆動にともない、高温流体通路50に、110℃の廃熱を含む液媒体が流通する。同時に、低温流体通路60に、沸点が30〜60℃に調整されたフッ素系不活性液体が流通するよう、液体輸送手段64を駆動させる。   As the vehicle engine (not shown) is driven, a liquid medium containing waste heat at 110 ° C. flows through the high-temperature fluid passage 50. At the same time, the liquid transport means 64 is driven so that the fluorine-based inert liquid whose boiling point is adjusted to 30 to 60 ° C. flows through the low temperature fluid passage 60.

これにより、受熱部10は、その先端部12にて、廃熱を含む液媒体から受熱する。その熱は、受熱部10から、P型半導体部30の一端32およびN型半導体部40の一端42に向かって伝熱する。それぞれの一端32,42に伝わった熱は、P型半導体部30およびN型半導体部40を介して、他端34,44に向かって伝熱する。それぞれの他端34,44に伝わった熱は、放熱部20の先端部22に向かって伝熱する。そして、放熱部20の先端部22に伝わった熱は、フッ素系不活性液体へ放熱される。   Thereby, the heat receiving part 10 receives heat from the liquid medium containing waste heat at the tip part 12. The heat is transferred from the heat receiving unit 10 toward one end 32 of the P-type semiconductor unit 30 and one end 42 of the N-type semiconductor unit 40. The heat transferred to the one ends 32 and 42 is transferred toward the other ends 34 and 44 through the P-type semiconductor unit 30 and the N-type semiconductor unit 40. The heat transferred to the other ends 34 and 44 is transferred toward the tip 22 of the heat radiating section 20. And the heat transmitted to the front-end | tip part 22 of the thermal radiation part 20 is thermally radiated to a fluorine-type inert liquid.

ここにおいて、放熱部20での伝熱は、フッ素系不活性液体が液体状態で導入されて、放熱部20の先端22にて蒸発することで達成される。即ち、放熱部20における伝熱形態は、沸騰伝熱を伴う。従って、放熱部20での沸騰伝熱により、P,N型半導体部30,40の他端34,44からの伝熱抵抗が小さくなる。このため、P,N型半導体部30,40の他端34,44における温度は、フッ素系不活性液体のバルク温度に近づき得る。   Here, heat transfer in the heat radiating unit 20 is achieved by introducing a fluorine-based inert liquid in a liquid state and evaporating at the tip 22 of the heat radiating unit 20. That is, the heat transfer mode in the heat radiating unit 20 involves boiling heat transfer. Therefore, the heat transfer resistance from the other ends 34 and 44 of the P and N type semiconductor parts 30 and 40 is reduced by boiling heat transfer in the heat radiating part 20. For this reason, the temperature at the other ends 34 and 44 of the P and N type semiconductor parts 30 and 40 can approach the bulk temperature of the fluorine-based inert liquid.

これにより、上記一端32,42から上記他端34,44に亘る距離に対する温度勾配が、大きくなる。即ち、P型半導体部30およびN型半導体部40における一端32,42と、他端34,44との間に、大きな温度差が生じる。この結果、大きな温度差に基づくゼーベック効果により、P,N型半導体部30,40にて多量の電気エネルギが生成される。その生成された電気エネルギは、電極機能を備える放熱部20から抽出されて利用される。   Thereby, the temperature gradient with respect to the distance from the said one end 32,42 to the said other end 34,44 becomes large. That is, a large temperature difference occurs between the one ends 32 and 42 and the other ends 34 and 44 in the P-type semiconductor unit 30 and the N-type semiconductor unit 40. As a result, a large amount of electric energy is generated in the P and N type semiconductor units 30 and 40 by the Seebeck effect based on a large temperature difference. The generated electrical energy is extracted from the heat radiating unit 20 having an electrode function and used.

また、放熱部20にて一旦気化したフッ素系不活性液体は、凝縮部70にて凝縮液化を経て、液体輸送手段64により液輸送されて再び放熱部20にて利用され得る。即ち、フッ素系不活性液体の流通系統が密閉循環系に構成され得、フッ素系不活性液体の系外への放出を防ぐことができる。   Further, the fluorine-based inert liquid once vaporized in the heat radiating unit 20 is condensed and liquefied in the condensing unit 70, transported by the liquid transport means 64, and can be used again in the heat radiating unit 20. That is, the circulation system of the fluorine-based inert liquid can be configured as a closed circulation system, and the release of the fluorine-based inert liquid to the outside of the system can be prevented.

加えて、凝縮部70にてフッ素系不活性液体が凝縮液化する際、凝縮潜熱が発生する。この凝縮潜熱は、放熱部20での気化潜熱と等価となる。即ち、潜熱に相当する熱量が、放熱部20から凝縮部70へ輸送されることになる。従って、凝縮部70を熱要求部へ設置することで、フッ素系不活性液体の凝縮熱を有効利用することができる。   In addition, when the fluorine-based inert liquid condenses into the condensing unit 70, latent heat of condensation is generated. This latent heat of condensation is equivalent to the latent heat of vaporization in the heat radiating section 20. That is, the amount of heat corresponding to latent heat is transported from the heat radiating unit 20 to the condensing unit 70. Therefore, the condensation heat of the fluorine-based inert liquid can be effectively used by installing the condensing unit 70 in the heat requesting unit.

以上により、発電の駆動源としてエネルギ変換器の低温廃熱が利用され得るので、低質で多量の熱が電気に変換され得、システム全体の効率を向上させることができる。   As described above, since the low-temperature waste heat of the energy converter can be used as a driving source for power generation, a large amount of low-quality heat can be converted into electricity, and the efficiency of the entire system can be improved.

ところで、上述したように、放熱部20にて沸騰伝熱が発生するため、P型半導体部30およびN型半導体部40における一端32,42と、他端34,44との間に、大きな温度差が生じる。このため、P型半導体部30およびN型半導体部40の熱歪みも大きい。更に、受熱部10および放熱部20を構成する金属と、P型半導体部30およびN型半導体部40との間では、それらの線膨張係数が異なるため、膨張変位も異なる。   Incidentally, as described above, since boiling heat transfer occurs in the heat radiating unit 20, a large temperature is generated between the one end 32, 42 and the other end 34, 44 in the P-type semiconductor unit 30 and the N-type semiconductor unit 40. There is a difference. For this reason, the thermal distortion of the P-type semiconductor unit 30 and the N-type semiconductor unit 40 is also large. Furthermore, since the linear expansion coefficient differs between the metal which comprises the heat receiving part 10 and the thermal radiation part 20, and the P-type semiconductor part 30 and the N-type semiconductor part 40, an expansion displacement is also different.

これらに起因して、P型半導体部30およびN型半導体部40に、機械的故障が発生する可能性がある。ここにおける機械的故障としては、例えば、P型半導体部30およびN型半導体部40における端部32,34,42,44が、受熱部10または放熱部20のプレート面から剥離したり、P型半導体部30およびN型半導体部40にクラックが発生する事象が考えられる。   As a result, a mechanical failure may occur in the P-type semiconductor unit 30 and the N-type semiconductor unit 40. As the mechanical failure here, for example, the end portions 32, 34, 42, 44 in the P-type semiconductor unit 30 and the N-type semiconductor unit 40 are separated from the plate surface of the heat receiving unit 10 or the heat radiating unit 20, A phenomenon in which a crack occurs in the semiconductor unit 30 and the N-type semiconductor unit 40 can be considered.

上述した機械的故障に対し、上記構成の熱電発電装置1によれば、以下に説明する作用・効果を奏する。P型半導体部30において、第1または第2P型半導体310,320のうち、一方が故障した場合であっても、他方によりP型半導体部30の一端32・他端34間のエネルギ導通が確保され得る。同様に、N型半導体部40においても、第1または第2N型半導体410,420のうち、一方が故障した場合であっても、他方によりN型半導体部40の一端42・他端44間のエネルギ導通が確保され得る。更に、このP,N半導体の並列個数を2組以上とすることで、一部故障時のエネルギ導通が高度に確保される。なお、ここにおけるエネルギ導通とは、電気伝導および熱伝導を意味する。   In response to the mechanical failure described above, the thermoelectric generator 1 having the above-described configuration exhibits the following operations and effects. In the P-type semiconductor unit 30, even if one of the first or second P-type semiconductors 310 and 320 fails, the other ensures energy conduction between the one end 32 and the other end 34 of the P-type semiconductor unit 30. Can be done. Similarly, in the N-type semiconductor unit 40, even if one of the first or second N-type semiconductors 410 and 420 fails, the N-type semiconductor unit 40 is connected between the one end 42 and the other end 44 by the other. Energy conduction can be ensured. Furthermore, by setting the number of parallel P, N semiconductors to two or more, energy conduction at the time of partial failure is highly secured. Here, energy conduction means electrical conduction and thermal conduction.

従って、上記構成の熱電発電装置1は、P型半導体部30とN型半導体部40とを交互かつ直列的に積層させてモジュール化されているが、半導体に故障が生じた場合であっても、導通が遮断される事態が大幅に低減し得る。このため、モジュール全体としての性能低下が抑制され得る。   Therefore, the thermoelectric generator 1 having the above configuration is modularized by stacking the P-type semiconductor units 30 and the N-type semiconductor units 40 alternately and in series, but even if a failure occurs in the semiconductor The situation where conduction is interrupted can be greatly reduced. For this reason, the performance fall as the whole module can be suppressed.

他方、上述したように、P,N半導体部30,40の一端32と他端42との間の温度差が大きくなり得、発電効率が大きくなり得る。以上のことから、本発明の第1実施形態にかかる熱電発電装置1によれば、上記温度差を大きくとり得、且つ、P,N型半導体部30,40の故障によるモジュール全体の性能低下が抑制され得る。以上が、本発明による熱電発電装置の第1実施形態の説明である。   On the other hand, as described above, the temperature difference between the one end 32 and the other end 42 of the P and N semiconductor units 30 and 40 can be increased, and the power generation efficiency can be increased. From the above, according to the thermoelectric generator 1 according to the first embodiment of the present invention, the temperature difference can be made large, and the performance of the entire module is reduced due to the failure of the P and N type semiconductor units 30 and 40. Can be suppressed. The above is the description of the first embodiment of the thermoelectric generator according to the present invention.

(第2実施形態)
次に、本発明による熱電発電装置の第2実施形態について説明する。本実施形態は、上記第1実施形態と、以下の2点について異なる。1つは、上記第1実施形態の低温流体通路60に代えて、フッ素系不活性液体を封入する空間が形成され、同空間内にてフッ素系不活性液体の凝縮が達成される点である。残りは、上記第1実施形態の放熱部20が、矩形プレート状に形成されて、低温流体へ放熱するフィンの機能を奏するようになっていたのに代えて、放熱部20が空隙を有する材料により構成されて、同空隙を介してフッ素系不活性液体が侵入可能なようになっている点である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the thermoelectric generator according to the present invention will be described. This embodiment is different from the first embodiment in the following two points. One is that, instead of the cryogenic fluid passage 60 of the first embodiment, a space for containing a fluorinated inert liquid is formed, and condensation of the fluorinated inert liquid is achieved in the space. . The rest is a material in which the heat dissipating part 20 has a gap instead of the heat dissipating part 20 of the first embodiment being formed in a rectangular plate shape and functioning as a fin for dissipating heat to a low temperature fluid. This is that the fluorine-based inert liquid can enter through the gap.

以下、第2実施形態について、上記第1実施形態と異なる点のみ、図面を参照しつつ説明する。なお、第2実施形態の説明において、その構成のうち、上記第1実施形態が備える構成と同一・等価なものに対しては、上記第1実施形態の説明にて使用した符号と同一のものを付すことで、説明を省略する。   Hereinafter, the second embodiment will be described with reference to the drawings only with respect to differences from the first embodiment. In the description of the second embodiment, the same reference numerals as those used in the description of the first embodiment are used for the same or equivalent components as those of the first embodiment. The description is omitted by attaching.

図3は、本発明の第2実施形態にかかる熱電発電装置1を示す図である。この熱電発電装置は、ハウジング80を備えている。このハウジング80は、放熱部20側を囲うようになっており、その内壁と上記積層構造の端部とがシールされている。これにより、ハウジング80の内側に、ハウジング80の内壁、絶縁断熱部62、及び放熱部20にて区画される密閉空間82が形成される。更に、ハウジング80は、その一部に凝縮部70を備えている。   FIG. 3 is a diagram showing a thermoelectric generator 1 according to the second embodiment of the present invention. This thermoelectric power generator includes a housing 80. The housing 80 surrounds the heat radiating portion 20 side, and its inner wall and the end of the laminated structure are sealed. Thereby, a sealed space 82 defined by the inner wall of the housing 80, the insulating heat insulating part 62, and the heat radiating part 20 is formed inside the housing 80. Further, the housing 80 includes a condensing unit 70 in a part thereof.

密閉空間82には、フッ素系不活性液体が封入されている。なお、この密閉空間82には、流体として、フッ素系不活性液体およびその蒸気のみが存在するようになっている。即ち、窒素、酸素等の不凝縮ガスが存在しない。この密閉系を形成するにあたり、予め密閉空間82を真空引きした後に、フッ素系不活性液体のみを封入することが好ましい。なお、低温流体通路60をフッ素系不活性液体で満たし、適量を残して吸引抜き取りすることで密閉系を形成しても構わない。   The sealed space 82 is filled with a fluorine-based inert liquid. In the sealed space 82, only a fluorine-based inert liquid and its vapor exist as fluids. That is, there is no non-condensable gas such as nitrogen or oxygen. In forming this closed system, it is preferable to seal only the fluorine-based inert liquid after evacuating the sealed space 82 in advance. Note that the closed system may be formed by filling the cryogenic fluid passage 60 with a fluorine-based inert liquid and suctioning and leaving an appropriate amount.

凝縮部70は、ハウジング80の内外に配設されるフィンを備えており、ハウジング80を介して、内側のフィンから外側のフィンに向かって熱伝導するよう構成されている。この内側のフィンにて、同フィンとフッ素系不活性液体の蒸気との熱交換が可能となっており、同蒸気を凝縮液化させるようになっている。一方、外側のフィンにて、上記凝縮液化に伴う凝縮潜熱を、系外へ放熱可能となっている。凝縮部70での凝縮工程は、速やかに実施され得る。これは、密閉空間82内に、不凝縮ガスが存在しないことに基づく。即ち、凝縮部70にて、フッ素系不活性液体蒸気の拡散・凝縮を妨げる因子が、予め除去されているからである。   The condensing unit 70 includes fins disposed inside and outside the housing 80, and is configured to conduct heat from the inner fins toward the outer fins via the housing 80. With this inner fin, heat exchange between the fin and the vapor of the fluorinated inert liquid is possible, and the vapor is condensed and liquefied. On the other hand, it is possible to dissipate the latent heat of condensation accompanying the condensate liquefaction outside the system with the outer fins. The condensing step in the condensing unit 70 can be performed quickly. This is based on the absence of non-condensable gas in the sealed space 82. That is, in the condensing unit 70, factors that prevent diffusion / condensation of the fluorine-based inert liquid vapor are removed in advance.

放熱部20は、空隙24を有する材料により構成されており、その先端部は絶縁断熱部62に対し面一、面上、面下の何れでも構わない。空隙24を有する材料としては、例えば、金属網目構造体(例えばステント、繊維金属)、金属多孔体(例えば発泡金属)、金属粒子充填体等が挙げられ、これらに限定されない。また、放熱部20は、対面している他端34,44の間に介装されて、P,N型半導体部30,40それぞれの他端34,44との接続がなされる。以上より、P,N型半導体部30,40それぞれの他端34,44の間への、空隙24を介したフッ素系不活性液体の侵入が、許容されるようになっている。   The heat dissipating part 20 is made of a material having a gap 24, and the tip thereof may be flush with, above or below the insulating heat insulating part 62. Examples of the material having the void 24 include, but are not limited to, a metal network structure (for example, a stent or a fiber metal), a metal porous body (for example, a foam metal), a metal particle filler, and the like. Further, the heat dissipating part 20 is interposed between the other ends 34 and 44 facing each other, and is connected to the other ends 34 and 44 of the P and N type semiconductor parts 30 and 40, respectively. As described above, penetration of the fluorine-based inert liquid through the gap 24 between the other ends 34 and 44 of the P and N type semiconductor units 30 and 40 is allowed.

なお、この第2実施形態も、上記第1実施形態と同様、P型半導体部30、及びN型半導体部40として、受熱部10のプレート面方向に並列的に、第1,第2P型半導体310,320、及び第1,第2N型半導体410,420をそれぞれ備える(図示せず)。更に、このP,N半導体の並列個数は2組以上でも構わない。以上が、第2実施形態にかかる熱電発電装置1の構成についての説明である。   In the second embodiment, as in the first embodiment, the P-type semiconductor unit 30 and the N-type semiconductor unit 40 are parallel to the plate surface direction of the heat receiving unit 10 in parallel with the first and second P-type semiconductors. 310 and 320, and first and second N-type semiconductors 410 and 420, respectively (not shown). Further, the number of parallel P and N semiconductors may be two or more. The above is the description of the configuration of the thermoelectric generator 1 according to the second embodiment.

次に、上述のように構成された第2実施形態にかかる熱電発電装置1の作動について、説明する。   Next, the operation of the thermoelectric generator 1 according to the second embodiment configured as described above will be described.

廃熱は、受熱部10、及びP型半導体部30およびN型半導体部40を介して、他端34,44に伝熱する。他端34,44に伝わった熱は、放熱部20に向かって伝熱する。そして、放熱部20に向かって伝わった熱は、フッ素系不活性液体へ放熱される。   The waste heat is transferred to the other ends 34 and 44 through the heat receiving unit 10, the P-type semiconductor unit 30, and the N-type semiconductor unit 40. The heat transferred to the other ends 34 and 44 is transferred toward the heat radiating portion 20. And the heat transmitted toward the heat radiating part 20 is radiated to the fluorine-based inert liquid.

ここにおいて、対面しているP型半導体部30の他端34、及びN型半導体部40の他端44の間にて、放熱部20の空隙24が存在することになる。この空隙24を介して、フッ素系不活性液体が、他端34,44に向かって侵入する。従って、フッ素系不活性液体が、これらの他端34,44に近づき、沸騰伝熱を伴った熱伝達が直接的になされる。このため、熱伝達に際して熱抵抗が抑制され得るので、P,N型半導体部30,40の他端34,44における温度は、フッ素系不活性液体のバルク温度に更に近づき得る。   Here, the air gap 24 of the heat dissipating unit 20 exists between the other end 34 of the P-type semiconductor unit 30 and the other end 44 of the N-type semiconductor unit 40 facing each other. Through this gap 24, the fluorine-based inert liquid enters toward the other ends 34 and 44. Therefore, the fluorine-based inert liquid approaches these other ends 34 and 44, and heat transfer with boiling heat transfer is directly performed. For this reason, since thermal resistance can be suppressed during heat transfer, the temperature at the other ends 34 and 44 of the P and N type semiconductor parts 30 and 40 can be closer to the bulk temperature of the fluorine-based inert liquid.

放熱部20(の空隙24)にて一旦気化したフッ素系不活性液体は、凝縮部70にて凝縮液化を経て、液体として自重に基づき放熱部20へ戻り得る。これにより、再び放熱部20にて利用され得る。即ち、フッ素系不活性液体の移動系統がヒートパイプ的に構成され得、フッ素系不活性液体の系外への放出を防ぐことができる。従って、ポンプ等の液体輸送手段64が不要となり、装置が省動力で駆動し得、かつコンパクトに構成され得る。   The fluorine-based inert liquid once vaporized in the heat dissipating part 20 (the gap 24) can be condensed and liquefied in the condensing part 70 and returned to the heat dissipating part 20 based on its own weight as a liquid. Thereby, it can be utilized in the heat radiation part 20 again. That is, the movement system of the fluorine-based inert liquid can be configured like a heat pipe, and the release of the fluorine-based inert liquid to the outside of the system can be prevented. Therefore, the liquid transporting means 64 such as a pump becomes unnecessary, the apparatus can be driven with power saving, and can be configured compactly.

加えて、放熱部20に空隙24が存在することにより、放熱部20に弾性が発現し得る。このため、例えば、P,N型半導体部30,40に、熱負荷や外部振動に基づき応力が生じる場合、放熱部20の弾性により応力が緩和され得る。即ち、放熱部20が、フレキシブル電極の役目を担う。従って、上述のような応力が生じる場合であっても、P,N型半導体部30,40の他端34,44(一端32,42)と、放熱部20(受熱部10)と接続が維持され得る。この結果、P,N型半導体部30,40の一端32,42・他端34,44間のエネルギ導通が確保され得る。   In addition, the presence of the air gap 24 in the heat radiating portion 20 can exhibit elasticity in the heat radiating portion 20. For this reason, for example, when stress is generated in the P and N type semiconductor units 30 and 40 based on a thermal load or external vibration, the stress can be relieved by the elasticity of the heat radiating unit 20. That is, the heat radiating part 20 plays a role of a flexible electrode. Therefore, even when the stress described above occurs, the connection between the other ends 34 and 44 (one ends 32 and 42) of the P and N type semiconductor portions 30 and 40 and the heat radiating portion 20 (heat receiving portion 10) is maintained. Can be done. As a result, energy conduction between the one ends 32 and 42 and the other ends 34 and 44 of the P and N type semiconductor units 30 and 40 can be ensured.

以上のことから、本発明の第2実施形態にかかる熱電発電装置1によれば、上記第1実施形態と同様、上記温度差を大きくとり得、且つ、P,N型半導体部30,40の故障によるモジュール全体の性能低下が抑制され得る。以上が、本発明による熱電発電装置の第2実施形態の説明である。   From the above, according to the thermoelectric generator 1 according to the second embodiment of the present invention, as in the first embodiment, the temperature difference can be made large, and the P and N type semiconductor units 30 and 40 The performance degradation of the entire module due to the failure can be suppressed. The above is the description of the second embodiment of the thermoelectric power generator according to the present invention.

本発明は、上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記第2実施形態においては、ハウジング80内にて密閉空間82が1つとなるよう構成されていたが、これに代えて、ハウジング80内にて、密閉空間82が複数に区画されてもよい。この場合、各々の放熱部20に対応して、1つずつの密閉空間を備え、各々の密閉空間にフッ素系不活性液体を封入すると好適である。更に、各々に封入されるフッ素系不活性液体の量を、それぞれ均等とするとより好適である。これによれば、装置全体が傾いた場合であっても、各々の放熱部20に向けてフッ素系不活性液体を均一に侵入させることができる。従って、例えば、熱電発電装置1を車両等移動体に搭載した場合であっても、各々の素子毎に発電量が偏ることを抑制することができる。加えて、フッ素系不活性液体の慣性力が抑えられ、車両本来の稼動性を保持可能となる。   The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be employed within the scope of the present invention. For example, in the second embodiment, the housing 80 is configured to have one sealed space 82. Alternatively, the housing 80 may be divided into a plurality of sealed spaces 82. Good. In this case, it is preferable that one sealed space is provided corresponding to each heat radiating portion 20 and that the fluorine-based inert liquid is sealed in each sealed space. Furthermore, it is more preferable that the amount of the fluorine-based inert liquid enclosed in each is made equal. According to this, even when the entire apparatus is tilted, the fluorine-based inert liquid can be uniformly penetrated toward each of the heat radiating portions 20. Therefore, for example, even when the thermoelectric generator 1 is mounted on a moving body such as a vehicle, it is possible to suppress the amount of power generation from being biased for each element. In addition, the inertia force of the fluorine-based inert liquid is suppressed, and the original operability of the vehicle can be maintained.

また、上記第1,2実施形態においては、P型半導体部30にてプレート面方向に対し、第1および第2P型半導体310,320の2つが並列的に配置されていたが、これに代えて、3つ以上のP型半導体が並列的に配置されてもよい。   In the first and second embodiments, the first and second P-type semiconductors 310 and 320 are arranged in parallel in the P-type semiconductor unit 30 with respect to the plate surface direction. Three or more P-type semiconductors may be arranged in parallel.

また、上記第1,2実施形態においては、N型半導体部40にてプレート面方向に対し、第1および第2N型半導体410,420の2つが並列的に配置されていたが、これに代えて、3つ以上のN型半導体が並列的に配置されてもよい。   In the first and second embodiments, the first and second N-type semiconductors 410 and 420 are arranged in parallel in the N-type semiconductor portion 40 with respect to the plate surface direction. Three or more N-type semiconductors may be arranged in parallel.

また、上記第1,2実施形態においては、P型半導体部30とN型半導体部40とを交互かつ直列的に積層させてモジュール化されており、そのモジュール1体が用いられていたが、これに代えて、例えば上記積層させたモジュールを複数体用い、多段化(並列化)させてもよい。モジュール1体を用いてP,N半導体部30,40をスケールアップさせた場合に比して、このモジュール1体と総体格が同一となるモジュール複数体の方がより出力密度が大きくなり得る。この場合、モジュール複数体における段数設定としては、例えば、出力密度と段数との関係を規定したグラフを作成し、同グラフにて出力密度の最大値に対応する段数を設定するのが好適である。   In the first and second embodiments, the P-type semiconductor units 30 and the N-type semiconductor units 40 are alternately and serially stacked to form a module, and one module is used. Instead of this, for example, a plurality of the stacked modules may be used to be multistaged (parallelized). Compared with the case where the P and N semiconductor units 30 and 40 are scaled up using a single module, the output density of the module multiple units having the same overall size as that of this single module can be higher. In this case, for setting the number of stages in a plurality of modules, for example, it is preferable to create a graph that defines the relationship between the output density and the number of stages and set the number of stages corresponding to the maximum value of the output density in the graph. .

Claims (5)

高温流体から受熱する受熱部と、
低温流体へ放熱する放熱部と、
一端が前記受熱部に接続されるとともに他端が前記放熱部に接続されたP型半導体部と、
一端が前記受熱部に接続されるとともに他端が前記放熱部に接続されたN型半導体部と、
を備え、
前記受熱部または前記放熱部における伝熱形態が、前記高温流体または前記低温流体の相変化を伴うように構成され、
前記P型半導体部および前記N型半導体部における前記一端と前記他端との温度差に基づいて、電気エネルギを生成する熱電発電装置において、
前記P型半導体部は、
少なくとも、
一端が前記受熱部に接続されるとともに他端が前記放熱部に接続された第1P型半導体と、
前記第1P型半導体に並列に配置されて、一端が前記受熱部に接続されるとともに他端が前記放熱部に接続された第2P型半導体とを備え、
前記N型半導体部は、
少なくとも、
一端が前記受熱部に接続されるとともに他端が前記放熱部に接続された第1N型半導体と、
前記第1N型半導体に並列に配置されて、一端が前記受熱部に接続されるとともに他端が前記放熱部に接続された第2N型半導体とを備えていることを特徴とする熱電発電装置。
A heat receiving portion for receiving heat from a high temperature fluid;
A heat dissipating part that dissipates heat to a low-temperature fluid;
A P-type semiconductor portion having one end connected to the heat receiving portion and the other end connected to the heat radiating portion;
An N-type semiconductor portion having one end connected to the heat receiving portion and the other end connected to the heat radiating portion;
With
The heat transfer form in the heat receiving part or the heat radiating part is configured to involve a phase change of the high temperature fluid or the low temperature fluid,
In the thermoelectric generator that generates electrical energy based on the temperature difference between the one end and the other end of the P-type semiconductor portion and the N-type semiconductor portion,
The P-type semiconductor part is
at least,
A first P-type semiconductor having one end connected to the heat receiving portion and the other end connected to the heat radiating portion;
A second P-type semiconductor disposed in parallel with the first P-type semiconductor and having one end connected to the heat receiving portion and the other end connected to the heat dissipation portion;
The N-type semiconductor part is
at least,
A first N-type semiconductor having one end connected to the heat receiving portion and the other end connected to the heat dissipation portion;
A thermoelectric generator, comprising: a second N-type semiconductor disposed in parallel with the first N-type semiconductor, having one end connected to the heat receiving portion and the other end connected to the heat dissipation portion.
請求項1に記載の熱電発電装置において、
前記放熱部は、
前記低温流体の気化を伴うことで前記放熱が達成されるように構成され、
前記気化した低温流体を、液化状態で前記放熱部へ復液させるために、凝縮液化させる凝縮部、
を更に備えたことを特徴とする熱電発電装置。
The thermoelectric generator according to claim 1,
The heat dissipation part is
Configured to achieve the heat dissipation by vaporizing the cryogenic fluid,
A condensing part for condensing and liquefying the vaporized low-temperature fluid in order to condense it into the heat dissipating part in a liquefied state;
A thermoelectric power generator further comprising:
請求項1又は請求項2に記載の熱電発電装置において、
前記低温流体は、フッ素系不活性液体であることを特徴とする熱電発電装置。
In the thermoelectric generator according to claim 1 or 2,
The thermoelectric generator according to claim 1, wherein the low-temperature fluid is a fluorine-based inert liquid.
請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の熱電発電装置において、
前記P型半導体部、及び前記N型半導体部は、
前記P型半導体部の前記一端と、前記N型半導体部の前記一端とがそれぞれ対面し、且つ、前記P型半導体部の前記他端と、前記N型半導体部の前記他端とがそれぞれ対面するように、交互に配設され、
前記受熱部は、
前記対面している前記P型半導体部の前記一端、及び前記N型半導体部の前記一端の間に介装されて、前記P,N型半導体部それぞれの前記一端との接続がなされ、
前記放熱部は、
前記対面している前記P型半導体部の前記他端、及び前記N型半導体部の前記他端の間に介装されて、前記P,N型半導体部それぞれの前記他端との接続がなされるよう構成されたことを特徴とする熱電発電装置。
The thermoelectric power generator according to any one of claims 1 to 3,
The P-type semiconductor portion and the N-type semiconductor portion are
The one end of the P-type semiconductor portion and the one end of the N-type semiconductor portion face each other, and the other end of the P-type semiconductor portion and the other end of the N-type semiconductor portion face each other. Alternately arranged,
The heat receiving part is
Interposed between the one end of the P-type semiconductor portion facing the one end and the one end of the N-type semiconductor portion to be connected to the one end of each of the P-type and N-type semiconductor portions;
The heat dissipation part is
It is interposed between the other end of the facing P-type semiconductor part and the other end of the N-type semiconductor part, and is connected to the other end of each of the P-type and N-type semiconductor parts. A thermoelectric power generator configured to be configured as described above.
請求項4に記載の熱電発電装置において、
前記低温流体は、フッ素系不活性液体であり、
前記放熱部は、
空隙を有する材料により構成されることで、前記対面している前記P型半導体部の前記他端、及び前記N型半導体部の前記他端の間への、前記フッ素系不活性液体の侵入を許容するよう構成されるとともに、前記フッ素系不活性液体の気化を伴うことで前記放熱が達成されるように構成され、
前記気化したフッ素系不活性液体を、液化状態で前記放熱部へ復液させるために、凝縮液化させる凝縮部、
を更に備えたことを特徴とする熱電発電装置。
The thermoelectric generator according to claim 4,
The cryogenic fluid is a fluorinated inert liquid,
The heat dissipation part is
By being composed of a material having a void, the fluorine-based inert liquid can be prevented from entering between the other end of the P-type semiconductor portion facing the other end and the other end of the N-type semiconductor portion. Configured to allow, and configured to achieve the heat dissipation by vaporizing the fluorinated inert liquid,
A condensing unit for condensing and liquefying the vaporized fluorine-based inert liquid in a liquefied state to return to the heat radiating unit;
A thermoelectric power generator further comprising:
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