JP2013165240A - Thermoelectric conversion system - Google Patents

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Mitsuru Kanbe
満 神戸
Takahiro Jinushi
孝広 地主
Zenzo Ishijima
善三 石島
Hiroshi Ishii
啓 石井
Meyer Hans-Georg
ゲオルグ マイヤー ハンス
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To construct a thermoelectric conversion system with large capacity that does not require a large place by integrating many thermoelectric conversion modules with a simple structure, to arrange the many thermoelectric conversion modules in one large-sized sealed space, and further to increase output density by increasing substantial arrangement density.SOLUTION: A thermoelectric conversion system includes an inner pipe 1 sectioning a flow passage 5 where one of heating fluid and cooling fluid flows, an outer pipe 2 arranged concentrically surrounding a periphery of the inner pipe 1 and forming a sealed space 4 with the inner pipe 1, and a thermoelectric conversion module 3 arranged in the sealed space 4 between the inner pipe 1 and the outer pipe 2 to be sandwiched between the inner pipe 1 and the outer pipe 2. A thermoelectric conversion module contact surface 1s and 2s of at least one of the inner pipe 1 and the outer pipe 2 which comes into contact with the thermoelectric conversion module has flexibility. The sealed space 4 is reduced in pressure or evacuated to make one of the heating fluid and the cooling fluid flow in the inner pipe 1 and the other of the cooling fluid and the heating fluid flow around the outer pipe 2.

Description

本発明は、熱電半導体に温度差を与えて発電する熱電変換システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、産業設備などから排出されるガスや排水、蒸気及び自動車の排ガスなどの高温の流体の熱あるいはLNG気化器で発生する冷熱などを利用して温度差を与えるのに好適な熱電変換システムに関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion system that generates power by giving a temperature difference to a thermoelectric semiconductor. More specifically, the present invention provides a temperature difference using heat of a high-temperature fluid such as gas discharged from industrial equipment, waste water, steam, and automobile exhaust gas, or cold heat generated by an LNG vaporizer. It is related with the thermoelectric conversion system suitable for.

従来の量産規模の一般的構造の熱電変換素子は、複数対の熱電半導体の上下面に電極を備えることで電気回路を構成し、さらにそれぞれの電極の外側に電気絶縁性を備える板例えばセラミックス板あるいは電気絶縁膜を有する金属板を配置して挟み付けるように接着剤やろう材等の接合材で結合することによって組み立てられて熱電変換モジュール化されている。このため、熱電変換モジュールは平板状に成形される。   A conventional thermoelectric conversion element having a general structure on a mass-production scale is an electric circuit configured by providing electrodes on the upper and lower surfaces of a plurality of pairs of thermoelectric semiconductors, and a plate having electrical insulation on the outside of each electrode, for example, a ceramic plate Alternatively, a thermoelectric conversion module is formed by assembling by bonding with a bonding material such as an adhesive or a brazing material so that a metal plate having an electric insulating film is disposed and sandwiched. For this reason, the thermoelectric conversion module is shape | molded in flat form.

また、熱電変換モジュールは、熱電半導体を挟みつける加熱板の熱膨張に起因するせん断力の発生が脆弱な熱電半導体を破壊したり、各部材間の接合面で剥離を発生させる恐れがあることから、大型化が難しく、平面寸法が4cm〜6cm角程度のものが一般的である。   In addition, the thermoelectric conversion module may destroy the thermoelectric semiconductor that is weak in the generation of shearing force due to the thermal expansion of the heating plate that sandwiches the thermoelectric semiconductor, or may cause peeling at the joint surface between the members. In general, it is difficult to increase the size and the plane dimension is about 4 cm to 6 cm square.

一方、従来の熱電変換システムは、平板状に成形された熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールに隙間無く密着する加熱流体を流す平板状の加熱ダクトと、冷却流体を流す平板状の冷却ダクトとで構成され、両ダクト間で熱電変換モジュールを挟みつけるように積層することにより一体化して熱電変換モジュールに温度差を与える構造が一般的である。このため、熱電変換モジュールの設置密度を高めるには、熱電変換モジュールを加熱ダクトと冷却ダクトとで挟みつけて成るユニットを幾層にも積み重ねて用いる必要がある。例えば、省エネルギー技術の一手段として有望視されている自動車の排ガスを熱源とする熱電変換システム101においては、図23及び図24に示すように、排ガスを流す加熱ダクト109と冷却水を流す冷却ダクト107との間に熱電変換モジュール108を挟み、両ダクト107,109をバネ106とクランプ105などの加圧機構で押さえつけて、熱電変換モジュール108に温度差を与える方式が試みられている(非特許文献1)。なお、図中の符号102は排気管、103は排ガスの流れを遮断する仕切り弁、110は排気管と加熱ダクトとを接続するマニホールドである。排ガスは入り口側のマニホールド110で分配されて各加熱ダクト109に供給され、出口側のマニホールド110で集合されて排気管102に導入される。   On the other hand, a conventional thermoelectric conversion system includes a thermoelectric conversion module formed into a flat plate shape, a flat plate heating duct for flowing a heating fluid that adheres closely to the thermoelectric conversion module, and a flat plate cooling duct for flowing a cooling fluid. Generally, a structure in which a thermoelectric conversion module is laminated so that the thermoelectric conversion module is sandwiched between both ducts and integrated to give a temperature difference to the thermoelectric conversion module is generally used. For this reason, in order to increase the installation density of the thermoelectric conversion modules, it is necessary to stack and use a unit in which the thermoelectric conversion modules are sandwiched between the heating duct and the cooling duct. For example, in a thermoelectric conversion system 101 that uses automobile exhaust gas as a heat source as a promising means for energy saving technology, as shown in FIGS. 23 and 24, a heating duct 109 for flowing exhaust gas and a cooling duct for flowing cooling water are used. A method of giving a temperature difference to the thermoelectric conversion module 108 is attempted by sandwiching the thermoelectric conversion module 108 between them and pressing the ducts 107 and 109 with a pressurizing mechanism such as a spring 106 and a clamp 105 (non-patent document). Reference 1). In the figure, reference numeral 102 denotes an exhaust pipe, 103 denotes a gate valve that blocks the flow of exhaust gas, and 110 denotes a manifold that connects the exhaust pipe and the heating duct. The exhaust gas is distributed by the manifold 110 on the inlet side and supplied to each heating duct 109, gathered by the manifold 110 on the outlet side, and introduced into the exhaust pipe 102.

ここで、自動車の排ガスを加熱流体として利用する場合、走行状態に応じて加熱流体の温度並びに流量が大幅に変動するという問題を伴う。一概には言えないが、排ガスは、通常の走行では500℃程度であるが、高速走行時には1000℃以上になると共に排ガス流量も増大する。1000℃を超える高温の排ガスでは、熱電変換モジュールが耐熱限度を超え壊れる恐れがある。また排ガス流量の増大は、圧力損失の増加に繋がり、エンジンの出力を損なう結果となる。そこで、現在開発中の自動車用熱電変換システムでは、図23に示すように熱電変換システム1の加熱ダクト109に排ガスを導入する排気管102とは別に、高速走行時に排ガスを流すバイパス管104を並べて配置し、排ガス温度をモニターして高速走行時には排ガスをバイパス管104に導く方式が検討されている(非特許文献1)。   Here, when the exhaust gas of an automobile is used as a heating fluid, there is a problem that the temperature and flow rate of the heating fluid greatly vary depending on the traveling state. Although it cannot be generally stated, the exhaust gas is about 500 ° C. in normal traveling, it becomes 1000 ° C. or more and the exhaust gas flow rate increases at high speed traveling. In exhaust gas having a high temperature exceeding 1000 ° C., the thermoelectric conversion module may exceed the heat resistance limit and break. An increase in the exhaust gas flow rate leads to an increase in pressure loss, resulting in a loss of engine output. Therefore, in the currently developed thermoelectric conversion system for automobiles, as shown in FIG. 23, a bypass pipe 104 for flowing exhaust gas during high-speed traveling is arranged separately from the exhaust pipe 102 for introducing exhaust gas into the heating duct 109 of the thermoelectric conversion system 1. A method of arranging and monitoring the exhaust gas temperature to guide the exhaust gas to the bypass pipe 104 during high speed travel has been studied (Non-Patent Document 1).

他方、高温ガスの腐食性などから熱電変換モジュールを保護し、接触熱抵抗を軽減させるため、熱電変換モジュールを真空あるいは減圧状態にある箱形の密閉容器内に収納すると共に、熱電変換モジュールと熱を伝える金属板との間の接触界面にカーボンシートやシリコングリースを介在させて接触熱抵抗を軽減させたパッケージ型の熱電変換システムも提案されている(特許文献1〜3)。   On the other hand, in order to protect the thermoelectric conversion module from the corrosiveness of high-temperature gas and reduce contact thermal resistance, the thermoelectric conversion module is housed in a box-shaped sealed container in a vacuum or reduced pressure state, and the thermoelectric conversion module and the heat A package-type thermoelectric conversion system has also been proposed in which a carbon sheet or silicon grease is interposed at a contact interface with a metal plate that transmits heat to reduce contact thermal resistance (Patent Documents 1 to 3).

特開2006−49872号JP 2006-49872 A WO2010−84718 A1WO2010-84718 A1 特開2011−238693号JP2011-238893A

Eder and J. Liebl, “Thermoelectric Waste Heat Recovery ? a Technology Transfer from Aerospace to the Automotive Industry”, 1 Internationale Thermoelektrik Konferenz, Berlin, 23 Oktober, 2008.Eder and J. Liebl, “Thermoelectric Waste Heat Recovery? A Technology Transfer from Aerospace to the Automotive Industry”, 1 Internationale Thermoelektrik Konferenz, Berlin, 23 Oktober, 2008.

しかしながら、従来の熱電変換システムは、平板状の熱電変換モジュールと加熱ダクトと冷却ダクトとを幾層にも積み重ねて板ばねなどで強固に挟みつける構造であるため、圧力損失や熱電素子の破損などを招き、大型化できないという問題を有している。   However, the conventional thermoelectric conversion system has a structure in which flat thermoelectric conversion modules, heating ducts and cooling ducts are stacked in layers and firmly sandwiched by leaf springs, etc., so that pressure loss, damage to thermoelectric elements, etc. Has a problem that it cannot be enlarged.

つまり、熱電変換モジュールと加熱流体を流すダクトと冷却流体を流すダクトとを交互に積み重ねて板ばねなどで強固に挟みつける構造では加圧機構には頑丈な構造が要求されることから、重量や占有スペースが大きくなる問題がある。   In other words, in the structure in which the thermoelectric conversion module, the duct through which the heating fluid flows, and the duct through which the cooling fluid flow are alternately stacked and firmly sandwiched by leaf springs or the like, the pressurizing mechanism requires a sturdy structure. There is a problem that the occupied space becomes large.

加えて、加熱流体を流すダクト及び冷却流体を流すダクトにも、大きな加圧力に耐え得る頑丈な構造が要求される。しかし、加熱ダクト並びに冷却ダクトを頑丈な構造とすることは、熱電変換モジュールと密着させ熱抵抗を低減させることと二律相反の関係にあり、熱電変換モジュールに大きな温度差を与えることが難しいものである。従来の自動車用熱電変換システム101においては、500℃の排ガスが加熱ダクト内を流れる際のモジュール高温側温度が200℃程度にまで低下しており、排ガスの熱が有効に利用できていないのが現状である。これは、排ガスの熱伝達係数が低いこと、およびダクトとモジュールの接触界面に存在する接触熱抵抗が原因である。   In addition, the duct for flowing the heating fluid and the duct for flowing the cooling fluid are also required to have a sturdy structure that can withstand a large applied pressure. However, having a sturdy structure for the heating duct and cooling duct has a two-way conflict with reducing heat resistance by closely contacting the thermoelectric conversion module, and it is difficult to give a large temperature difference to the thermoelectric conversion module. It is. In the conventional automobile thermoelectric conversion system 101, the module high temperature side temperature when the exhaust gas at 500 ° C. flows through the heating duct is lowered to about 200 ° C., and the heat of the exhaust gas cannot be used effectively. Currently. This is due to the low heat transfer coefficient of the exhaust gas and the contact thermal resistance present at the contact interface between the duct and the module.

さらに、高密度に熱電変換モジュールを配置するには、熱電変換モジュールを加熱ダクトと冷却ダクトとで挟みつけて成るユニットを幾層にも積み重ねる必要があるので、排気管を幾つもの流れに分岐させて複数のパネル状のダクトに導入させる構造とせざるを得ないことから、圧力損失が高まる。しかも、剥き出しの熱電変換モジュールを加熱ダクトと冷却ダクトとで挟みつけるだけの構成では、熱電変換モジュールが高温で大気に晒されるのみならず、自動車の走行条件によっては冠水の可能性もあり、酸化による劣化や電気的短絡などの問題も伴う。   Furthermore, in order to arrange thermoelectric conversion modules at a high density, it is necessary to stack units composed of thermoelectric conversion modules sandwiched between heating ducts and cooling ducts, so that the exhaust pipe is branched into several flows. Therefore, the pressure loss increases because the structure must be introduced into a plurality of panel-shaped ducts. Moreover, with a configuration in which the exposed thermoelectric conversion module is simply sandwiched between the heating duct and the cooling duct, the thermoelectric conversion module is not only exposed to the atmosphere at high temperatures, but depending on the driving conditions of the car, there is a possibility of flooding, and oxidation There are also problems such as deterioration and electrical short circuit.

また、従来の自動車の排ガスを熱源とする熱電変換システムにおいては、熱電変換システム(加熱ダクト)とバイパス管を並べて配置するため、設置スペース的に大きな制約を受ける。このことは、高密度化が進んでいる近年の自動車においては無視できない問題である。   Moreover, in the conventional thermoelectric conversion system using the exhaust gas of an automobile as a heat source, the thermoelectric conversion system (heating duct) and the bypass pipe are arranged side by side, so that the installation space is greatly restricted. This is a problem that cannot be ignored in recent automobiles where density is increasing.

これら問題は自動車の排気管に備える熱電変換システム特有の問題ではなく、蒸気を流す配管や液化ガス気化器用管内を流れる流体の熱を利用する熱電変換システム全般の問題であり、改善が望まれるものである。   These problems are not specific to the thermoelectric conversion system provided in the exhaust pipes of automobiles, but are problems in general thermoelectric conversion systems that use the heat of fluid flowing in pipes for flowing steam and liquefied gas vaporizers, and improvements are desired. It is.

他方、特許文献1及び2記載の発明は、数センチ角のモジュールを1個のみ気密ケースに封入したものであるので、大型の加熱・冷却ダクトに対してはこれらを多数設置する必要がある。しかし、発電変換モジュール1つ当たりに占める箱形の密閉容器の割合が高いため、単位面積当たりの熱電変換モジュール設置密度が低く、設備コストが高価なものとなる問題がある。また、特許文献3記載の発明は、特許文献1及び2記載のものよりも比較的大型の気密ケース内に数センチ角のモジュールを複数個封入することが出来るが、特許文献1及び2記載の熱電変換システムと同様に、設備コストが高価なものとなる問題が生ずる。   On the other hand, since the inventions described in Patent Documents 1 and 2 are such that only one module of several centimeters is enclosed in an airtight case, it is necessary to install a large number of these for large heating / cooling ducts. However, since the ratio of the box-shaped sealed container per power generation conversion module is high, there is a problem that the thermoelectric conversion module installation density per unit area is low and the equipment cost is high. The invention described in Patent Document 3 can enclose a plurality of modules of several centimeters in a relatively large airtight case than those described in Patent Documents 1 and 2, Similar to the thermoelectric conversion system, there is a problem that the equipment cost becomes expensive.

このことから、高温の流体が流れる大型の管またはダクトの外側に多数の熱電変換モジュールを設置可能で、かつ簡素な構成の熱電変換システムが要望されている。   Therefore, there is a demand for a thermoelectric conversion system having a simple configuration in which a large number of thermoelectric conversion modules can be installed outside a large pipe or duct through which a high-temperature fluid flows.

本発明は、かかる要望に応えるもので、簡単な構造で、多くの熱電変換モジュールを集積して、場所をとらない大容量の熱電変換システムを構築できる熱電変換システムを提供することを目的とする。また、本発明は1つの大型の密閉空間に多数の熱電変換モジュールを配置可能とする熱電変換システムを提供することを目的とする。さらに、本発明は、実質的な配置密度を高めて出力密度を増大することができる大容量の熱電変換システムを提供することを目的とする。   The present invention responds to such a demand, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion system capable of constructing a large-capacity thermoelectric conversion system with a simple structure and a large number of thermoelectric conversion modules integrated. . Another object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion system in which a large number of thermoelectric conversion modules can be arranged in one large sealed space. Furthermore, an object of the present invention is to provide a large-capacity thermoelectric conversion system capable of increasing a power density by increasing a substantial arrangement density.

かかる目的を達成するために請求項1記載の熱電変換システムは、加熱流体あるいは冷却流体のいずれか一方を流す流路を区画する内側の管と、前記内側の管の周囲を囲むように同心状に配置されて前記内側の管との間に密閉された空間を形成する外側の管と、前記内側の管と前記外側の管との間の密閉された前記空間に前記内側の管と前記外側の管との間に挟まれるように配置される熱電変換モジュールとを有し、かつ前記内側の管あるいは前記外側の管の少なくとも一方の前記熱電変換モジュールと接触する熱電変換モジュール接触面が可撓性を備え、前記密閉空間を減圧または真空にし、前記内側の管に加熱流体または冷却流体のいずれか一方を流すとともに、前記外側の管の周りに冷却流体または加熱流体のいずれか他方を流すようにしている。   In order to achieve such an object, the thermoelectric conversion system according to claim 1 is concentric so as to surround an inner tube that defines a flow path for flowing either the heating fluid or the cooling fluid, and the inner tube. An outer tube disposed in the inner tube to form a sealed space between the inner tube and the outer tube, and the inner tube and the outer tube in the sealed space between the inner tube and the outer tube. And a thermoelectric conversion module contact surface that comes into contact with at least one of the inner tube and the outer tube is flexible. The sealed space is decompressed or evacuated, and either the heating fluid or the cooling fluid is allowed to flow through the inner tube, and either the cooling fluid or the heating fluid is allowed to flow around the outer tube. It is.

また、請求項1記載の熱電変換システムにおいて、内側の管とその外側の外側の管とはともに角管であり、同心状に配置されるとともに、内側の管を囲むように内側の管と外側の管の対向する各平面部分に熱電変換モジュールが配置されていることが好ましい。   2. The thermoelectric conversion system according to claim 1, wherein the inner tube and the outer tube are both square tubes, are arranged concentrically, and surround the inner tube and the outer tube. It is preferable that the thermoelectric conversion module is arrange | positioned in each plane part which the pipe | tube of this opposes.

また、請求項1記載の熱電変換システムにおいて、内側の管は円管であると共に、外側の管は角管であり、内側の管の周囲に熱電変換モジュールと密着する平坦な面と内側の管の表面と密着する曲面とを有する金属のブロックを介在させて熱電変換モジュールが配置されていることが好ましい。   2. The thermoelectric conversion system according to claim 1, wherein the inner tube is a circular tube and the outer tube is a square tube, and a flat surface and an inner tube that are in close contact with the thermoelectric conversion module around the inner tube. It is preferable that the thermoelectric conversion module is arranged with a metal block having a curved surface in close contact with the surface.

また、請求項1から3のいずれかに記載の熱電変換システムにおいて、外側の管の周りにさらに套管を配置し、該套管とその内側の外側の管との間に冷却流体あるいは加熱流体のいずれか他方を流す流路が形成されていることが好ましい。   The thermoelectric conversion system according to any one of claims 1 to 3, further comprising a cannula around an outer tube, and a cooling fluid or a heating fluid between the cannula and an outer tube inside the cannula. It is preferable that a flow path for flowing the other of these is formed.

また、請求項1から4のいずれか1つに記載の熱電変換システムにおいて、加熱流体を流す流路の内部に、熱電変換モジュールと接する熱電変換モジュール接触面から隔てられたバイパス管を備え、バイパス管は通常時には加熱流体の流入を阻止または抑制して当該バイパス管の外の流路に過熱流体を通過させ、過熱時には加熱流体の全量あるいは一部を流入させて当該バイパス管の外の流路を通過させる加熱流体の流量を阻止または抑制する流路切替え手段を有することが好ましい。   The thermoelectric conversion system according to any one of claims 1 to 4, further comprising a bypass pipe separated from a thermoelectric conversion module contact surface in contact with the thermoelectric conversion module, inside the flow path through which the heating fluid flows. The pipe normally prevents or suppresses the inflow of the heating fluid and allows the superheated fluid to pass through the flow path outside the bypass pipe. When the pipe is overheated, the entire amount or a part of the heating fluid is allowed to flow into the flow path outside the bypass pipe. It is preferable to have a flow path switching unit that prevents or suppresses the flow rate of the heated fluid that passes through.

また、請求項1から5のいずれか1つに記載の熱電変換システムにおいて、加熱流体と冷却流体との温度差に起因する熱膨張差を吸収する熱膨張差吸収領域を備えることが好ましい。   In the thermoelectric conversion system according to any one of claims 1 to 5, it is preferable to include a thermal expansion difference absorption region that absorbs a thermal expansion difference caused by a temperature difference between the heating fluid and the cooling fluid.

さらに、請求項1から6のいずれか1つに記載の熱電変換システムにおいて、熱電変換モジュールと該熱電変換モジュールと接する内側の管あるいは外側の管の熱電変換モジュール接触面の少なくともいずれか一方に接触熱抵抗低減物質を介在させていることが好ましい。   Furthermore, in the thermoelectric conversion system according to any one of claims 1 to 6, the thermoelectric conversion module is in contact with at least one of the inner tube in contact with the thermoelectric conversion module or the thermoelectric conversion module contact surface of the outer tube. It is preferable to interpose a thermal resistance reducing substance.

請求項1記載の熱電変換システムによれば、密閉空間に生ずる差圧に起因する加圧力により、熱電変換モジュールと外管並びに内管とのそれぞれの接触界面において密着し、接触熱抵抗が低減されるので、加圧機構を用いなくとも、加熱流体と冷却流体との間の温度差が熱電変換モジュールに与えられる。また、二重管構造の内管と外管との間の1つの連続した密閉空間に、内管を囲むように熱電変換モジュールを配置して密閉空間に作用する差圧によって相互に密着させる簡単な構造であるので、多くの熱電変換モジュールを集積して、場所をとらない大容量の熱電変換システムを安価に構築できる。しかも、1つの大型の密閉空間に多数の熱電変換モジュールを配置できるので、実質的な配置密度を高めて出力密度(単位面積当たりの出力)を増大することができる。   According to the thermoelectric conversion system of the first aspect, the contact pressure between the thermoelectric conversion module, the outer tube, and the inner tube is brought into close contact by the pressure applied due to the differential pressure generated in the sealed space, and the contact thermal resistance is reduced. Therefore, a temperature difference between the heating fluid and the cooling fluid is given to the thermoelectric conversion module without using a pressurizing mechanism. In addition, a thermoelectric conversion module is arranged in one continuous sealed space between the inner tube and the outer tube having a double-pipe structure so as to surround the inner tube, and can be brought into close contact with each other by the differential pressure acting on the sealed space. Therefore, it is possible to construct a large-capacity thermoelectric conversion system at a low cost by integrating many thermoelectric conversion modules. And since many thermoelectric conversion modules can be arrange | positioned in one large-sized sealed space, a substantial arrangement | positioning density can be raised and an output density (output per unit area) can be increased.

しかも、内側の管の周りに多数の熱電変換モジュールを配置して気密ケースを構成する構造でありながら、大型化できなおかつ熱電変換モジュールの上下面に接触熱抵抗を低減する効果のあるカーボンシートや熱伝導性グリースなどを介在させて熱電変換モジュールとの接触熱抵抗を低減できるなどの効果も損なわないものである。   In addition, a carbon sheet that has an effect of reducing the contact thermal resistance on the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion module while having a structure in which a large number of thermoelectric conversion modules are arranged around the inner tube to constitute an airtight case. The effect of reducing the contact thermal resistance with the thermoelectric conversion module by interposing a thermally conductive grease or the like is not impaired.

また、二重管構造とするだけで多数の熱電変換モジュールを内管の周りに設置する密閉空間を構成できるので、構造が簡単で場所をとらず、かつ安価に製造できる。   In addition, since a sealed space in which a large number of thermoelectric conversion modules are installed around the inner tube can be configured simply by adopting a double tube structure, the structure is simple, space-saving, and low cost manufacturing.

また、請求項2記載の発明によると、内側の管とその外側の外側の管とを角管で構成して同心状に配置するため、角管の隅部分を除いた各平面部分全体を熱電変換モジュールに密着させ得るので、構造が簡単で場所をとらず、かつ安価に製造できる。   According to the invention described in claim 2, since the inner tube and the outer outer tube are configured by a square tube and arranged concentrically, the entire flat surface portion excluding the corner portion of the square tube is arranged in a thermoelectric manner. Since it can be brought into close contact with the conversion module, the structure is simple, it does not take up space, and can be manufactured at low cost.

また、請求項3記載の発明によると、内側の管を円管とすることができるので、内圧に対して十分な耐圧強度を備え変形しない。したがって、水蒸気などの高圧の加熱流体を使用することができ、かつこのような加熱流体を使用した場合にも熱電変換モジュールと加熱ダクトたる内側の管との間の接触は密着した状態に保てる。   According to the third aspect of the present invention, since the inner tube can be a circular tube, it has sufficient pressure strength against the internal pressure and is not deformed. Therefore, a high-pressure heating fluid such as water vapor can be used, and even when such a heating fluid is used, the contact between the thermoelectric conversion module and the inner tube as the heating duct can be kept in close contact.

また、請求項4記載の発明によると、外側の管の周りにさらに套管を配置する簡単な構造で、外側の管との間に冷却流体あるいは加熱流体のいずれか他方を流す流路を形成しているので、中心の内側の管との間で多数の熱電変換モジュールに確実に温度差を与えることができる。   According to the invention of claim 4, a simple structure in which a cannula is further arranged around the outer tube, and a flow path for flowing either the cooling fluid or the heating fluid is formed between the outer tube and the outer tube. Therefore, a temperature difference can be reliably given to a large number of thermoelectric conversion modules with respect to the tube inside the center.

また、請求項5記載の発明によると、加熱流体を流す流路の内部に熱電変換モジュール接触面から隔てられたバイパス管を備え、加熱流体が熱電素子の耐熱温度を超える温度となった時にはその全量あるいは一部を流入させるようにしているので、流路内を通過させる加熱流体の総量を変えずに熱電変換モジュールに与える熱を調整することができる。つまり、加熱流体の一部をバイパス管の外に流して熱電変換モジュール接触面を加熱することもできるので、例えば自動車用熱電変換システムとして構成する場合には、高速走行時にも走行性能を犠牲にせずに熱電変換システムによる発電を確保することもできる。しかも、加熱ダクトの中にバイパス管を配置して集約しているので、2本のダクトを並設する場合に比べて省スペース化が可能である。   According to the invention of claim 5, a bypass pipe separated from the thermoelectric conversion module contact surface is provided inside the flow path for flowing the heating fluid, and when the heating fluid reaches a temperature exceeding the heat resistance temperature of the thermoelectric element, Since all or part of the fluid flows in, the heat given to the thermoelectric conversion module can be adjusted without changing the total amount of the heated fluid that passes through the flow path. In other words, a part of the heating fluid can flow outside the bypass pipe to heat the contact surface of the thermoelectric conversion module. For example, when configured as a thermoelectric conversion system for automobiles, the running performance is sacrificed even during high-speed running. It is also possible to ensure power generation by the thermoelectric conversion system. In addition, since the bypass pipes are arranged and aggregated in the heating duct, space can be saved as compared with the case where two ducts are arranged in parallel.

また、請求項6記載の発明によると、熱膨張差吸収領域での変形により内管と外管との熱膨張差を吸収できるので、長い内管と外管との間の密閉空間に多数の熱電変換モジュールを配置して大型化することができる。   Further, according to the invention described in claim 6, since the thermal expansion difference between the inner tube and the outer tube can be absorbed by the deformation in the thermal expansion difference absorption region, a large number of sealed spaces between the long inner tube and the outer tube are formed. A thermoelectric conversion module can be arranged to increase the size.

さらに、請求項7記載の発明によると、接触熱抵抗低減物質の介在により、熱電変換モジュールに剪断力などが作用するのを防ぐと共に接触熱抵抗を低減させるので、熱電変換モジュール本体に大きな温度差を与えることができる。   Further, according to the seventh aspect of the present invention, the contact of the thermal resistance reducing substance prevents the shearing force from acting on the thermoelectric conversion module and reduces the thermal resistance of the thermoelectric conversion module. Can be given.

本発明にかかる熱電変換システムの一実施形態を示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing one embodiment of a thermoelectric conversion system according to the present invention. 同熱電変換システムの一方の端部付近の中央縦断面図である。It is a center longitudinal cross-sectional view of one end part vicinity of the thermoelectric conversion system. 本発明の熱電変換システムを自動車の排気管に組み込んで排ガスを利用して発電する実施形態の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of embodiment which incorporates the thermoelectric conversion system of this invention in the exhaust pipe of a motor vehicle, and generates electric power using waste gas. 同自動車用熱電変換システムの底面図である。It is a bottom view of the same thermoelectric conversion system for vehicles. 同熱電変換システムの中央縦断面図である。It is a center longitudinal cross-sectional view of the same thermoelectric conversion system. 図4のG部の拡大図である。It is an enlarged view of the G section of FIG. 図4のF部の拡大図である。It is an enlarged view of the F section of FIG. 同自動車用熱電変換システムの横断面図で、(A)は図4のA−A線に沿う断面図、(B)は図4のB−B線に沿う断面図、(C)は図4のC−C線に沿う断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the automotive thermoelectric conversion system, in which (A) is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 4, (B) is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. It is sectional drawing which follows the CC line. 同自動車用熱電変換システムに用いる内管の一例を示す斜視図である。It is a perspective view showing an example of an inner pipe used for the thermoelectric conversion system for cars. 同自動車用熱電変換システムに用いる外管の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the outer tube | pipe used for the thermoelectric conversion system for the vehicles. 図3の自動車用熱電変換システムの一例を示す外管と内管及びそれらの間の密閉空間に配置される熱電変換モジュールの構造を套管を取り除いて示す斜視図である。It is a perspective view which removes a cannula and shows the structure of the thermoelectric conversion module arrange | positioned in the outer space and inner tube which show an example of the thermoelectric conversion system for motor vehicles of FIG. 3, and the sealed space between them. 加熱ダクト内にバイパス管を設けた自動車排気管用熱電変換システムの実施形態を示す原理図であり、横断面構造を示す。1 is a principle view showing an embodiment of a thermoelectric conversion system for an automobile exhaust pipe in which a bypass pipe is provided in a heating duct, and shows a cross-sectional structure. 内管とバイパス管とこのバイパス管を開閉する流路切替え手段との関係を正面側から表す原理図であり、バイパス管を閉じた状態を示す。It is a principle figure showing the relationship between an inner pipe, a bypass pipe, and the flow-path switching means which opens and closes this bypass pipe from the front side, and shows the state which closed the bypass pipe. バイパス管の入り口付近を側面側から表す原理図であり、バイパス管を閉じた状態を示す。It is a principle figure showing the entrance vicinity of a bypass pipe from the side, and shows the state where the bypass pipe was closed. 内管とバイパス管とこのバイパス管を開閉する流路切替え手段との関係を正面側から表す原理図であり、バイパス管を開放した状態を示す。It is a principle figure showing the relationship between an inner pipe, a bypass pipe, and the flow-path switching means which opens and closes this bypass pipe from the front side, and shows the state which opened the bypass pipe. バイパス管の入り口付近を側面側から表す原理図であり、バイパス管を開放した状態を示す。It is a principle figure showing the entrance vicinity of a bypass pipe from the side, and shows the state where the bypass pipe was opened. バイパス管を設けた自動車の排気管用熱電変換システムの実施形態を示す横断面図である。It is a transverse cross section showing an embodiment of a thermoelectric conversion system for exhaust pipes of a car provided with a bypass pipe. 同熱電変換システムの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the thermoelectric conversion system. 本発明の熱電変換システムをオープンラック式LNG気化器(ORV)に適用した実施形態を示す原理図である。It is a principle figure showing an embodiment which applied a thermoelectric conversion system of the present invention to an open rack type LNG vaporizer (ORV). オープンラック式LNG気化器のORV伝熱管を内管として利用した熱電変換システムの横断面図である。It is a cross-sectional view of a thermoelectric conversion system using an ORV heat transfer tube of an open rack type LNG vaporizer as an inner tube. スチームを熱源として利用する本発明の熱電変換システムの実施形態を示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing an embodiment of a thermoelectric conversion system of the present invention using steam as a heat source. 銅製のブロックの間にカーボンシートを介在させた場合と介在させない場合との温度と接触熱抵抗を比較した実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result which compared the temperature and the contact thermal resistance with the case where a carbon sheet is interposed between copper blocks, and the case where it does not interpose. 従来の自動車用熱電変換システムを組み込んだ排気管を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the exhaust pipe incorporating the conventional thermoelectric conversion system for motor vehicles. 同自動車用熱電変換システムの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the thermoelectric conversion system for the vehicles.

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
図1及び図2に本発明にかかる熱電変換システムの一実施形態を示す。この熱電変換システムは、加熱流体または冷却流体を流す流路5を区画する内側の管(以下、内管と呼ぶ)1と、内管1の周囲を囲むように同心状に配置されて内管1との間に密閉された空間(以下、密閉空間と呼ぶ)4を形成する外側の管(以下、外管と呼ぶ)2と、内管1と外管2との間の密閉空間4に内管1と外管2との間に挟まれるように配置される熱電変換モジュール3とで構成されている。そして、内管1あるいは外管2の少なくとも一方の熱電変換モジュール3と接触する熱電変換モジュール接触面1s,2sが可撓性を備えるものとし、かつ密閉空間4を減圧または真空にすることによって、外部空間と密閉空間4との間の圧力差によって外管2及び内管1の熱電変換モジュール接触面1s,2sを熱電変換モジュール3に密着させる加圧力を発生させるようにしている。これにより、内管1に加熱流体または冷却流体のいずれか一方を流すとともに、外管2の周りに冷却流体または加熱流体のいずれか他方を流して、熱電変換モジュール3に温度差を与えることができる。
Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.
1 and 2 show an embodiment of a thermoelectric conversion system according to the present invention. The thermoelectric conversion system includes an inner tube (hereinafter referred to as an inner tube) 1 that divides a flow path 5 through which a heating fluid or a cooling fluid flows, and an inner tube that is concentrically disposed so as to surround the inner tube 1. 1 is formed in a sealed space 4 between an inner tube 1 and an outer tube 2, and an outer tube (hereinafter referred to as an outer tube) 2 that forms a sealed space (hereinafter referred to as a sealed space) 4. The thermoelectric conversion module 3 is disposed so as to be sandwiched between the inner tube 1 and the outer tube 2. Then, the thermoelectric conversion module contact surfaces 1s, 2s that are in contact with the thermoelectric conversion module 3 of at least one of the inner tube 1 or the outer tube 2 are flexible, and the sealed space 4 is reduced in pressure or vacuum, A pressure difference between the outer space 2 and the sealed space 4 is applied to cause the thermoelectric conversion module contact surfaces 1 s and 2 s of the outer tube 2 and the inner tube 1 to be in close contact with the thermoelectric conversion module 3. Accordingly, either one of the heating fluid or the cooling fluid is allowed to flow through the inner tube 1 and the other of the cooling fluid or the heating fluid is allowed to flow around the outer tube 2 to give a temperature difference to the thermoelectric conversion module 3. it can.

ここで、外管2は、内管1の周りを囲むように配置されて内管1との間に熱電変換モジュール3を収納する密閉空間4を形成できるものであれば、その形状は特定のものに限定されるものではない。外管2の最適な形状は、熱電変換システムを適用する用途や設置環境によっても異なるが、平面の熱電変換モジュール接触面1s,2sを構成できる管、例えば最も広い平面の熱電変換モジュール接触面2sを得られる正方形や長方形などの矩形断面の角管が好ましい。この場合、熱電変換モジュール3を無駄なく配置できる周方向に連続した密閉空間を容易に形成できる。また、外管2としては、場合によっては三角形あるいは五角形以上の多角形の管や、円管であることもある。   Here, if the outer tube 2 is arranged so as to surround the inner tube 1 and can form a sealed space 4 for housing the thermoelectric conversion module 3 between the outer tube 2 and the inner tube 1, the shape of the outer tube 2 is specific. It is not limited to things. The optimum shape of the outer tube 2 differs depending on the application and installation environment to which the thermoelectric conversion system is applied. However, the tube that can form the flat thermoelectric conversion module contact surfaces 1s and 2s, for example, the widest flat thermoelectric conversion module contact surface 2s. A square tube having a rectangular cross section such as a square or a rectangle is preferable. In this case, a sealed space continuous in the circumferential direction in which the thermoelectric conversion module 3 can be disposed without waste can be easily formed. In some cases, the outer tube 2 may be a triangular tube, a polygonal tube having a pentagonal shape or more, or a circular tube.

また、内管1は、外管2と同様に、熱電変換モジュール3を密着させる上で、平坦な広い熱電変換モジュール接触面2sを得られる角管であることが好ましい。そこで、内管1とその外側の外管2とを共に角管で構成し、同心状に配置してそれらの対向する各平面部分即ち熱電変換モジュール接触面1s,2sの間に熱電変換モジュール3を配置させることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the inner tube 1 is a rectangular tube that can obtain a flat and wide thermoelectric conversion module contact surface 2 s in close contact with the thermoelectric conversion module 3 in the same manner as the outer tube 2. Therefore, the inner tube 1 and the outer tube 2 outside thereof are both constituted by square tubes, arranged concentrically, and between the opposed flat portions, that is, between the thermoelectric conversion module contact surfaces 1 s and 2 s, the thermoelectric conversion module 3. Is preferably arranged.

他方、内管1は、角管であることが好ましいが、必ずしも角管に限られず、場合によっては円管であっても良い。例えば、加熱流体として蒸気を利用するスチームダクトなどを内管1とする場合、スチームの高圧に耐えるにはシームレスの円管の採用が最も有利である。この場合、熱電変換モジュール3と密着する平面と内管1の表面と密着する曲面とを有する熱伝導性、熱伝導率の高い金属のブロックを介在させることによって、熱電変換モジュール3に密着させる平坦な面を形成し、熱電変換モジュール3の配置を可能とすることができる。もちろん、円管からなる外管2と角管からなる内管1との組み合わせも否定するものではなく、このような場合においても熱電変換モジュール3と密着する平面と外管2の内面と密着する曲面とを有する熱伝導性、熱伝導率の高い金属のブロックを介在させることによって熱電変換モジュール3と熱電変換モジュール接触面2sとの密着不良の問題は解消される。   On the other hand, the inner tube 1 is preferably a square tube, but is not necessarily limited to a square tube, and may be a circular tube depending on circumstances. For example, when the inner pipe 1 is a steam duct that uses steam as a heating fluid, it is most advantageous to use a seamless circular pipe to withstand the high pressure of steam. In this case, a flat surface that is in close contact with the thermoelectric conversion module 3 by interposing a metal block having high thermal conductivity and high thermal conductivity having a flat surface in close contact with the thermoelectric conversion module 3 and a curved surface in close contact with the surface of the inner tube 1. A smooth surface can be formed, and the thermoelectric conversion module 3 can be arranged. Of course, the combination of the outer tube 2 made of a circular tube and the inner tube 1 made of a square tube is not denied, and even in such a case, the surface closely contacting the thermoelectric conversion module 3 and the inner surface of the outer tube 2 are in close contact. The problem of poor adhesion between the thermoelectric conversion module 3 and the thermoelectric conversion module contact surface 2s is solved by interposing a metal block having a curved surface and high thermal conductivity and high thermal conductivity.

外管2の周りには冷却流体または加熱流体を流す流路6が形成される。この場合、外管2の周りにさらに套管7を配置し、該套管7とその内側の外管2との間に流路6を形成するようにしても良いが、区画されない流路例えばLNG気化器における伝熱管に沿って流れ落ちる海水の流れのように開放的な流路としても良い。   Around the outer tube 2, a flow path 6 for flowing a cooling fluid or a heating fluid is formed. In this case, a cannula 7 may be further arranged around the outer tube 2, and the channel 6 may be formed between the cannula 7 and the outer tube 2 inside the cannula 7. It is good also as an open flow path like the flow of the seawater which flows down along the heat exchanger tube in an LNG vaporizer.

さらに、熱電変換モジュール3と該熱電変換モジュール3と接する内管1あるいは外管2の熱電変換モジュール接触面1s,2sの少なくともいずれか一方の接触界面にはカーボンシートや熱伝導性のシリコングリースなどの接触熱抵抗低減物質9を介在させることが好ましい。接触界面に接触熱抵抗低減物質9を介在させることは、接触熱抵抗の低減に効果的であり、出来るだけ大きな温度差を熱電変換モジュールに与えるために必要な加圧力の低減に効果がある。例えば、厚さ方向の熱伝導率5W/mK、厚さ0.15mmのカーボンシートを銅製のブロックの間に介在させて0.04MPa(0.4kg/cm )で加圧した実験により、カーボンシートを介在させない場合の2個の銅ブロックの接触熱抵抗と比較すると、厚さ方向の熱伝導率が低い従来一般的なカーボンシートの採用によっても熱抵抗を1/10以下に低減できることが判明した。その結果を表1および図22に示す。 Further, at least one of the thermoelectric conversion module contact surfaces 1 s and 2 s of the inner tube 1 or the outer tube 2 in contact with the thermoelectric conversion module 3 and the thermoelectric conversion module 3, a carbon sheet, a heat conductive silicon grease, etc. It is preferable to intervene the contact thermal resistance reducing substance 9. The interposition of the contact thermal resistance reducing substance 9 at the contact interface is effective in reducing the contact thermal resistance, and is effective in reducing the pressurizing force necessary to give the thermoelectric conversion module as large a temperature difference as possible. For example, by an experiment in which a carbon sheet having a thermal conductivity of 5 W / mK in the thickness direction and a thickness of 0.15 mm is interposed between copper blocks and pressurized at 0.04 MPa (0.4 kg / cm 2 ), carbon Compared to the contact thermal resistance of two copper blocks when no sheet is interposed, it has been found that the thermal resistance can be reduced to 1/10 or less even by adopting a conventional carbon sheet having a low thermal conductivity in the thickness direction. did. The results are shown in Table 1 and FIG.

Figure 2013165240

上述の接触熱抵抗低減物質9のうちカーボンシートは、密閉空間4の真空化、減圧化あるいは不活性雰囲気化により、最も高温で使用できるSiGe熱電半導体の使用温度1100℃でも劣化しないため、いかなる熱電半導体にも適用可能である。
Figure 2013165240

Among the contact thermal resistance reducing substances 9 described above, the carbon sheet is not deteriorated even at the use temperature of 1100 ° C. of the SiGe thermoelectric semiconductor that can be used at the highest temperature by evacuation, decompression, or inert atmosphere of the sealed space 4. It can also be applied to semiconductors.

また、内管1、外管2及び套管7のいずれか、好ましくは冷却流体を流す流路を区画する管には、加熱流体に接触する管と冷却流体に接触する管との温度差に起因する熱膨張差を吸収する熱膨張差吸収領域8を備えることが好ましい。本実施形態の場合、冷却流体を流す流路6を区画する外管2に、あるいは必要に応じて外管2と套管7の双方に、管軸方向(熱膨張・収縮する方向)に変形あるいは変位する熱膨張差吸収領域8が少なくとも1カ所以上設けられている。例えば、外管2には、熱電変換モジュール3の軸方向前後にベローズ状の熱膨張差吸収領域8がそれぞれ形成され、熱電変換モジュール3の前後で熱膨張差を吸収して熱電変換モジュール3に接触している部分で剪断力として作用するのを防ぐようにしている。この熱膨張差吸収領域8は、発生する温度差に起因する熱膨張差が小さい場合には、設置箇所を少なくしたり、設けなくても済むこともある。   Further, any of the inner tube 1, the outer tube 2, and the sleeve 7 and preferably the tube that defines the flow path for flowing the cooling fluid has a temperature difference between the tube that contacts the heating fluid and the tube that contacts the cooling fluid. It is preferable to provide a thermal expansion difference absorption region 8 that absorbs the resulting thermal expansion difference. In the case of the present embodiment, the outer tube 2 defining the flow path 6 through which the cooling fluid flows is deformed in the tube axis direction (the direction of thermal expansion / contraction) on the outer tube 2 and the sleeve 7 as necessary. Alternatively, at least one or more thermal expansion difference absorption regions 8 that are displaced are provided. For example, in the outer tube 2, bellows-like thermal expansion difference absorption regions 8 are respectively formed before and after the thermoelectric conversion module 3 in the axial direction, and the thermoelectric conversion module 3 absorbs the thermal expansion difference before and after the thermoelectric conversion module 3. It prevents it from acting as a shearing force at the contacted part. In the case where the difference in thermal expansion due to the generated temperature difference is small, the thermal expansion difference absorption region 8 may be reduced in number or not installed.

密閉空間4は、外の圧力よりも低い内部圧力、例えば運転時に少なくとも0.4気圧以上の差圧が得られる減圧雰囲気又は真空とされている。例えば、内管1と外管2との間の隙間に熱電変換モジュール3を収容した後に真空雰囲気下で内管および外管の境界部分を電子ビーム溶接などで接合することによって、内管1と外管2とを一体化すると同時に密封して密閉空間4を減圧または真空状態とすることができる。この差圧によって密閉空間4に外からかかる加圧力により、熱電変換モジュール3と外管2並びに内管1とのそれぞれの接触界面において加圧・密着され、接触熱抵抗が低減される。因みに、本発明者等の実験によると、例えば550℃、大気圧下で運転するパッケージ熱電変換モジュール1を想定すると、室温(27℃)での封入圧力(PRT)を−0.8気圧(ゲージ圧)とすると、550℃に加熱した際の内圧P550は絶対圧で0.55気圧、ゲージ圧で−0.45気圧となり、十分な温度差を与えるに十分な圧力を付与できることが判明した。なお、熱電変換モジュール3は、公知であるためその詳細な説明と図示を省略しているが、一般的には複数対の熱電半導体の各電極を直列に接続して端部のリード線から密閉空間4の一隅から外管2の外に貫通する一対の貫通電極12に導通させる電気回路を構成している。 The sealed space 4 is an internal pressure lower than the external pressure, for example, a reduced pressure atmosphere or a vacuum in which a differential pressure of at least 0.4 atm or more is obtained during operation. For example, after the thermoelectric conversion module 3 is accommodated in the gap between the inner tube 1 and the outer tube 2, the boundary between the inner tube and the outer tube is joined by electron beam welding or the like in a vacuum atmosphere, whereby the inner tube 1 and The outer tube 2 can be integrated and sealed at the same time, and the sealed space 4 can be reduced in pressure or vacuum. Due to the pressure applied to the sealed space 4 from the outside by this differential pressure, the thermoelectric conversion module 3, the outer tube 2 and the inner tube 1 are pressed and brought into close contact with each other, and the contact thermal resistance is reduced. Incidentally, according to experiments by the present inventors, for example, assuming a package thermoelectric conversion module 1 operating at 550 ° C. and atmospheric pressure, the enclosure pressure (P RT ) at room temperature (27 ° C.) is −0.8 atm ( Gauge pressure), the internal pressure P 550 when heated to 550 ° C is 0.55 atm in absolute pressure and -0.45 atm in gauge pressure, and it turns out that sufficient pressure can be given to give a sufficient temperature difference did. Since the thermoelectric conversion module 3 is well known, its detailed description and illustration are omitted. In general, the electrodes of a plurality of pairs of thermoelectric semiconductors are connected in series and sealed from the lead wires at the ends. An electric circuit is formed that conducts from a corner of the space 4 to a pair of through electrodes 12 that penetrates outside the outer tube 2.

ここで、内管1あるいは外管2の少なくともいずれか一方は、密閉区間4に生ずる差圧によって、熱電変換モジュール接触面1s,2sが熱電変換モジュール3に密着する程度の可撓性と、圧力差で破壊せずに気密性を確保できる程度の剛性とを備える伝熱性に優れる素材で構成されていることが好ましい。例えば、本実施形態では、外管2は上述の差圧によって容易に変形する薄肉の金属素材で構成されている。他方、内管1は、前述の差圧によって生ずる加圧力などに耐えて形を保つ剛性を必要する堅固な材質であることが好ましい。もちろん、内管1には加熱流体あるいは冷却流体が流れるため、ある程度の剛性を備えることになるので、材質的に堅固な構造とする必要はないが、外管2と内管1の双方を可撓性を有する素材で構成する必要性も特にない。そこで、本実施形態の場合には、外管2は熱伝導性に優れる材料の薄板で形成され、内管1は外管2よりも厚肉の熱伝導性に優れる材料で形成されている。なお、内管1には伝熱面積を増やすために内側に向けて放射状に伸びる多数の襞17を設けても良い。   Here, at least one of the inner tube 1 and the outer tube 2 is flexible enough to allow the thermoelectric conversion module contact surfaces 1 s and 2 s to be in close contact with the thermoelectric conversion module 3 due to the differential pressure generated in the sealed section 4. It is preferable that it is made of a material having excellent heat transfer properties and rigidity sufficient to ensure airtightness without being broken due to a difference. For example, in this embodiment, the outer tube 2 is made of a thin metal material that is easily deformed by the above-described differential pressure. On the other hand, the inner tube 1 is preferably made of a rigid material that requires the rigidity to withstand the pressure generated by the above-described differential pressure and maintain its shape. Of course, since the heating fluid or the cooling fluid flows through the inner tube 1, the inner tube 1 has a certain degree of rigidity. Therefore, it is not necessary to have a rigid material structure, but both the outer tube 2 and the inner tube 1 can be used. There is no particular need to configure the material with flexibility. Therefore, in the case of the present embodiment, the outer tube 2 is formed of a thin plate made of a material having excellent heat conductivity, and the inner tube 1 is formed of a material having a thicker heat conductivity than the outer tube 2. In addition, in order to increase the heat transfer area, the inner pipe 1 may be provided with a large number of flanges 17 extending radially inward.

以上のように構成された熱電変換システムによれば、密閉空間4に生ずる差圧に起因する加圧力により、熱電変換モジュール3と外管2並びに内管1とのそれぞれの接触界面において密着し、接触熱抵抗が低減されるので、加圧機構を用いなくとも、加熱流体と冷却流体との間の温度差が熱電変換モジュール3に与えられる。また、二重管構造の内管1と外管2との間の1つの連続した密閉空間4に、内管1を囲むように熱電変換モジュール3を配置して密閉空間4に作用する差圧によって相互に密着させる簡単な構造であるので、多くの熱電変換モジュールを集積して、場所をとらない大容量の熱電変換システムを構築できる。   According to the thermoelectric conversion system configured as described above, due to the pressure applied due to the differential pressure generated in the sealed space 4, the thermoelectric conversion module 3 and the outer tube 2 and the inner tube 1 are in close contact with each other, Since the contact thermal resistance is reduced, a temperature difference between the heating fluid and the cooling fluid is given to the thermoelectric conversion module 3 without using a pressurizing mechanism. Further, a differential pressure acting on the sealed space 4 by disposing the thermoelectric conversion module 3 so as to surround the inner tube 1 in one continuous sealed space 4 between the inner tube 1 and the outer tube 2 having a double-pipe structure. Therefore, it is possible to construct a large-capacity thermoelectric conversion system that saves space by integrating many thermoelectric conversion modules.

図3〜図11に、本発明の熱電変換システムを自動車の排気管に組み込んで排ガスを利用して発電する実施形態の一例を示す。   FIG. 3 to FIG. 11 show an example of an embodiment in which the thermoelectric conversion system of the present invention is incorporated in an exhaust pipe of an automobile and power is generated using exhaust gas.

この自動車の排気管用熱電変換システムは、排ガスを導入する内管(以下、本実施形態では加熱ダクトと呼ぶ)1と、この加熱ダクト1の外側を覆って冷却流体と接触する薄肉の外管(以下、本実施形態では冷却管と呼ぶ)2と、さらに冷却管2の外側を覆い冷却管2の間に冷却水を流す流路6を構成する套管7との三重管構造としたものである。加熱ダクト1及び冷却管2は、ともに角管によって構成され、同心状に配置されたときに互いに平行な関係となる熱電変換モジュール接触面1s,2sの間に熱電変換モジュール3を装入する。   The automobile exhaust pipe thermoelectric conversion system includes an inner pipe (hereinafter referred to as a heating duct) 1 for introducing exhaust gas, and a thin outer pipe (which is in contact with cooling fluid covering the outside of the heating duct 1). In the present embodiment, this is referred to as a cooling pipe), and a triple pipe structure of 2 and a sleeve 7 that covers the outside of the cooling pipe 2 and forms a flow path 6 through which cooling water flows between the cooling pipes 2. is there. The heating duct 1 and the cooling pipe 2 are both constituted by square tubes, and the thermoelectric conversion module 3 is inserted between the thermoelectric conversion module contact surfaces 1 s and 2 s which are in a mutually parallel relationship when arranged concentrically.

この自動車の排気管用熱電変換システムは、例えば図3に示すような外観を呈している。冷却管2は、可撓性を有する熱伝導率の高い素材、例えば厚さ0.1mm〜0.2mm程度の薄肉のオーステナイト・ステンレス製のシームレス管を水圧成形(ハイドローリック・フォーミング)により、図10に示すような角管に成形加工したものである。この冷却管2の製法としては、特に水圧成形に限られるものではなく、図10に例示する冷却管2を長手方向に2分割または4分割した部材をプレス加工(深絞り加工)により作製し、これらを突き合わせて電子ビーム溶接で組み立てることによっても容易に製造可能である。ここで、冷却管2並びに套管7には、図3、図6〜図8に示すように、熱膨張が生ずる方向に変形・伸縮可能な熱膨張差吸収領域8を適宜間隔を開けて数カ所に設け、加熱ダクト1と冷却管2並びに套管7の熱膨張差を吸収できる構造とすることが好ましい。熱膨張差吸収領域8としては、本実施形態においては軸方向の変位を容易に吸収可能な波形(ベローズ型)の構造部位を採用しているが、特に図示している波形(ベローズ型)の形状に限られず、他の部位に優先して変形する形態ないし構造であれば実施可能である。なお、冷却管2並びに套管7は、冷却流体として水を用いる場合、錆を防ぐ観点からオーステナイト系ステンレス材料の使用が望ましいが、これに限定されるものではない。   This automobile exhaust pipe thermoelectric conversion system has an appearance as shown in FIG. 3, for example. The cooling pipe 2 is a flexible material having high thermal conductivity, for example, a thin-walled austenitic stainless seamless pipe having a thickness of about 0.1 mm to 0.2 mm, by hydroforming (hydraulic forming). This is formed into a square tube as shown in FIG. The manufacturing method of the cooling pipe 2 is not particularly limited to hydraulic forming, and a member obtained by dividing the cooling pipe 2 illustrated in FIG. 10 into two or four parts in the longitudinal direction is manufactured by press working (deep drawing process). It can also be easily manufactured by abutting them and assembling them by electron beam welding. Here, as shown in FIGS. 3 and 6 to 8, the cooling pipe 2 and the cannula 7 are provided with several thermal expansion difference absorption regions 8 that can be deformed / expanded in the direction in which thermal expansion occurs, with appropriate intervals. It is preferable to provide a structure that can absorb the difference in thermal expansion between the heating duct 1, the cooling pipe 2, and the cannula 7. As the thermal expansion difference absorption region 8, in this embodiment, a corrugated (bellows type) structural part that can easily absorb axial displacement is adopted, but in particular, the corrugated (bellows type) shown in the figure. The present invention is not limited to the shape, and can be implemented as long as it has a form or a structure that deforms in preference to other parts. In the case of using water as the cooling fluid, the cooling pipe 2 and the sleeve 7 are preferably made of an austenitic stainless material from the viewpoint of preventing rust, but are not limited thereto.

また、冷却管2を薄肉の角管で構成する場合、冷却管2の断面形状、特に熱電変換モジュール3と接触する熱電変換モジュール接触面2sの平面度を維持するため、四隅を補強することが望ましい。例えば、図8(C)及び図11に示すように、冷却管2の四隅の内側のスペースに長手方向(軸方向)に突っ張り棒18を設置して、冷却管2の角の形状を維持する。突っ張り棒18は、冷却管2の両端を加熱ダクト1に固着するためのフランジ10に溶接付けなどで固定されている。この突っ張り棒18は冷却管2が比較的厚肉または小型の場合は必要ないが、冷却管2が薄肉で大型の場合には設置することが望ましい。   Further, when the cooling pipe 2 is constituted by a thin square tube, the four corners may be reinforced in order to maintain the cross-sectional shape of the cooling pipe 2, particularly the flatness of the thermoelectric conversion module contact surface 2 s that contacts the thermoelectric conversion module 3. desirable. For example, as shown in FIG. 8C and FIG. 11, the rod 18 is installed in the space inside the four corners of the cooling pipe 2 in the longitudinal direction (axial direction) to maintain the corner shape of the cooling pipe 2. . The tension rod 18 is fixed to the flange 10 for fixing both ends of the cooling pipe 2 to the heating duct 1 by welding or the like. This strut rod 18 is not necessary when the cooling pipe 2 is relatively thick or small, but it is desirable to install it when the cooling pipe 2 is thin and large.

冷却管2と加熱ダクト1とはそれらの間で密閉空間4を区画し、その密閉空間4を真空としている。そのため冷却管2は内外の圧力差(1気圧=1kg/cm=0.1MPa)で熱電変換モジュール3を加圧する。この際に熱電変換モジュール3と良好な密着を実現するため、厚さ0.1mm〜0.2mm程度の薄肉とすることが望ましい。なお冷却管2と加熱ダクト1との間の密閉空間4の圧力は真空に限定される必要はない。密閉空間4の圧力を−0.4kg/cmG(ゲージ圧)=0.6kg/cmabs(絶対圧)の不活性ガスとした場合でもカーボンシートなどの接触熱抵抗低減物質9を介在させれば、図22において圧力差0.4気圧(=0.4kg/cm=0.04MPa)の場合に相当し、接触熱抵抗の低減に効果があることがわかっている。従って本実施例のように真空とする場合に、その真空度は重要ではない。仮に密閉空間4の内圧が−0.9kg/cmG= 0.1kg/cmabsでも接触熱抵抗の低減効果には殆ど影響がないことが図22 のデータから推測できる。 The cooling pipe 2 and the heating duct 1 define a sealed space 4 between them, and the sealed space 4 is evacuated. Therefore, the cooling pipe 2 pressurizes the thermoelectric conversion module 3 with an internal and external pressure difference (1 atm = 1 kg / cm 2 = 0.1 MPa). At this time, in order to achieve good adhesion with the thermoelectric conversion module 3, it is desirable that the thickness is about 0.1 mm to 0.2 mm. The pressure in the sealed space 4 between the cooling pipe 2 and the heating duct 1 need not be limited to vacuum. Even when the pressure of the sealed space 4 is an inert gas of −0.4 kg / cm 2 G (gauge pressure) = 0.6 kg / cm 2 abs (absolute pressure), a contact thermal resistance reducing substance 9 such as a carbon sheet is interposed. If this is done, it corresponds to the case of a pressure difference of 0.4 atm (= 0.4 kg / cm 2 = 0.04 MPa) in FIG. 22, and it has been found that there is an effect in reducing the contact thermal resistance. Accordingly, when a vacuum is applied as in this embodiment, the degree of vacuum is not important. Even if the internal pressure of the sealed space 4 is −0.9 kg / cm 2 G = 0.1 kg / cm 2 abs, it can be estimated from the data in FIG.

図10に加熱ダクト1の一例を示す。この加熱ダクト1は厚さが数mm程度の堅固な金属製角管であり、内部を流れる排ガス(加熱流体)との共存性があり、さらに熱伝導率が高いことが望ましい。例えば自動車の排ガス(最高温度約1000℃)を流す場合、フェライト鋼などが適する。本実施形態の加熱ダクト1では、ダクト内部に襞17を設けて伝熱面積を増やし、ダクト内の熱伝達を促進し排ガスの熱を取り出し易くしている。この加熱ダクト1の表面は高い平面度と良好な表面仕上げとし、熱電変換モジュールとの良好な密着により接触熱抵抗の低減を図ることが望ましい。   FIG. 10 shows an example of the heating duct 1. The heating duct 1 is a solid metal square tube having a thickness of about several millimeters, preferably has coexistence with exhaust gas (heating fluid) flowing inside, and has a high thermal conductivity. For example, when flowing automobile exhaust gas (maximum temperature of about 1000 ° C.), ferritic steel is suitable. In the heating duct 1 of the present embodiment, a flange 17 is provided inside the duct to increase the heat transfer area, promote heat transfer in the duct, and easily take out the heat of the exhaust gas. It is desirable that the surface of the heating duct 1 has a high flatness and a good surface finish, and the contact thermal resistance is reduced by a good adhesion with the thermoelectric conversion module.

套管7は、図3に示すように、厚さ0.1mm〜1.0mm程度のオーステナイト・ステンレス製の円筒形のケースで、冷却水の入口配管15および出口配管16が接続されている。ケース中央部には波形(ベローズ型)の熱膨張差吸収領域8が設けられ、加熱ダクト1と套管7の熱膨張差を吸収できるように配慮されている。套管7は水に触れるため、錆を防ぐ観点でオーステナイト・ステンレス材料の採用が望ましいが、これに限定されない。なお、本実施例では套管7は円筒形としているが、これに限定される必要はなく、正方形や長方形などの矩形断面から成る角管や多角形の管でも良い。套管7と冷却管2とは、図6及び図7に拡大して示すように、加熱ダクト1として使用される内管1に溶接付けなどで固定されるフランジ10を介して互いに溶接されて冷却流体を流す流路6を冷却管2の周りに形成するようにしている。ここで、冷却流体を流す冷却管2の周りの流路6は、両端に接続される入口側冷却配管15と出口側冷却配管16とに接続されて、加熱ダクト1内を流れる排ガスと同じ方向に流れる(並流)ように設けられている。そして、入口側冷却配管15が接続されている部分には、図8(A)及び図8(B)に示すような、角管からなる冷却管2の表面の4辺の平坦面・熱電変換モジュール接触面2sにそって冷却流体を流すように分配する4カ所の分配孔14が開けられた冷却水分配板13で仕切られている。これにより、入口側冷却配管15から導入される冷却流体は4等分されて各熱電変換モジュール接触面2sに沿って均等に流される。   As shown in FIG. 3, the sleeve 7 is a cylindrical case made of austenite / stainless steel having a thickness of about 0.1 mm to 1.0 mm, to which an inlet pipe 15 and an outlet pipe 16 for cooling water are connected. A corrugated (bellows type) thermal expansion difference absorption region 8 is provided at the center of the case, and consideration is given to absorb the thermal expansion difference between the heating duct 1 and the sleeve 7. Since the sleeve 7 is in contact with water, it is desirable to use an austenite / stainless steel material from the viewpoint of preventing rust, but the invention is not limited to this. In the present embodiment, the sleeve 7 is cylindrical, but is not limited thereto, and may be a square tube or a polygonal tube having a rectangular cross section such as a square or a rectangle. The cannula 7 and the cooling pipe 2 are welded to each other via a flange 10 fixed to the inner pipe 1 used as the heating duct 1 by welding or the like, as shown in an enlarged view in FIGS. A flow path 6 through which the cooling fluid flows is formed around the cooling pipe 2. Here, the flow path 6 around the cooling pipe 2 through which the cooling fluid flows is connected to the inlet side cooling pipe 15 and the outlet side cooling pipe 16 connected to both ends, and is in the same direction as the exhaust gas flowing in the heating duct 1. It is provided so that it may flow (cocurrent). And in the part to which the inlet side cooling piping 15 is connected, as shown to FIG. 8 (A) and FIG. 8 (B), the flat surface and thermoelectric conversion of four sides of the surface of the cooling pipe 2 which consists of a square tube It is partitioned by a cooling water distribution plate 13 having four distribution holes 14 for distributing the cooling fluid along the module contact surface 2s. Thereby, the cooling fluid introduced from the inlet side cooling pipe 15 is equally divided into four, and is made to flow evenly along each thermoelectric conversion module contact surface 2s.

真空ないし減圧前の加熱ダクト1と冷却管2との間の隙間の高さは、収納する熱電変換モジュール3および各種構成物の合計高さよりも僅かに高く設定されていることが重要である。すなわち加熱ダクト1上に収納すべき熱電変換モジュール3および各種構成物を設置し、これらを冷却管2に挿入すると、熱電変換モジュール1と冷却管2には約1mmの隙間が存在するように設定されている。そして、冷却管2と加熱ダクト1の両端部に真空チェンバーの中で行う電子ビーム溶接でフランジ10を取り付けて密閉すると、溶接完了と同時に容器内部4が真空となるため、大気圧下では薄肉の冷却管2が変形する(へこむ)ことにより、熱電変換モジュール3と冷却管2は密着する。したがって、加熱ダクト1と冷却管2の間の密閉空間4に収納される熱電変換モジュール3は、大気圧下では加熱ダクト1と冷却管2に完全に密着した状態で1気圧(0.1MPa=1kg/cm)の力で上下から押さえつけられるため、接触面間に存在する接触熱抵抗が低減でき、熱電変換モジュール本体に大きな温度差を与えることができる。なお上記隙間は約1mmに限定されるものではない。冷却管2が大型になれば、また冷却管2が薄肉になれば、隙間はやや大きくても構わない。なお、冷却管2は、その両端を加熱ダクト1に溶接で固着されたフランジ10の外周縁に溶接付けすることで加熱ダクト1と一体化され、密閉空間4を構成している。またフランジ10には熱電変換モジュール3の電力を引き出す2本の電極12が貫通している。また、図中の符号11は、冷却管2と套管7の端を連結して塞ぐ端板である。 It is important that the height of the gap between the heating duct 1 and the cooling pipe 2 before vacuum or decompression is set slightly higher than the total height of the thermoelectric conversion module 3 and various components to be housed. That is, when the thermoelectric conversion module 3 and various components to be stored on the heating duct 1 are installed and inserted into the cooling pipe 2, the thermoelectric conversion module 1 and the cooling pipe 2 are set to have a gap of about 1 mm. Has been. When the flange 10 is attached to both ends of the cooling pipe 2 and the heating duct 1 by electron beam welding performed in a vacuum chamber and sealed, the inside 4 of the container is evacuated at the same time as the welding is completed. When the cooling pipe 2 is deformed (dented), the thermoelectric conversion module 3 and the cooling pipe 2 are brought into close contact with each other. Therefore, the thermoelectric conversion module 3 accommodated in the sealed space 4 between the heating duct 1 and the cooling pipe 2 is 1 atmosphere (0.1 MPa = 0.1 MPa =) in a state of being in close contact with the heating duct 1 and the cooling pipe 2 under atmospheric pressure. 1 kg / cm 2 ), the contact heat resistance existing between the contact surfaces can be reduced, and a large temperature difference can be given to the thermoelectric conversion module body. The gap is not limited to about 1 mm. If the cooling pipe 2 becomes large and the cooling pipe 2 becomes thin, the gap may be slightly larger. The cooling pipe 2 is integrated with the heating duct 1 by welding its both ends to the outer peripheral edge of the flange 10 fixed to the heating duct 1 by welding, and constitutes a sealed space 4. Further, two electrodes 12 that draw out the electric power of the thermoelectric conversion module 3 penetrate the flange 10. Reference numeral 11 in the figure denotes an end plate that connects and closes the ends of the cooling pipe 2 and the sleeve 7.

以上のように構成された自動車の排気管用熱電変換システムによれば、加熱ダクト1に排ガスを流し、套管7と冷却管2との間の流路6に入口側冷却配管15から冷却水を導入して流すことにより、熱電変換モジュール3に排ガスと冷却水との温度差を与えて発電することができる。   According to the thermoelectric conversion system for an exhaust pipe of an automobile configured as described above, exhaust gas is caused to flow through the heating duct 1, and cooling water is supplied from the inlet side cooling pipe 15 to the flow path 6 between the sleeve 7 and the cooling pipe 2. By introducing and flowing, it is possible to generate power by giving the thermoelectric conversion module 3 a temperature difference between the exhaust gas and the cooling water.

次に、自動車の排気管用熱電変換システムの他の実施形態として、加熱ダクト1内にバイパス管20を設けたシステムの原理図を図12〜図16に示す。ちなみに、本実施形態は概略構造を原理図で示したものであり、その具体的構成の図示は省略している。   Next, FIG. 12 to FIG. 16 show the principle diagrams of a system in which a bypass pipe 20 is provided in the heating duct 1 as another embodiment of a thermoelectric conversion system for an exhaust pipe of an automobile. Incidentally, the present embodiment shows a schematic structure in principle, and a specific configuration is not shown.

この実施形態の熱電変換システムは、加熱ダクト1に排ガスを迂回させるバイパス管20を内蔵させたものである。バイパス管20は、加熱ダクト1の少なくとも熱電変換モジュール3が配置されている区間に、加熱ダクト1の内面から隔てられて設置されている。加熱ダクト1、冷却管2、套管7及びバイパス管20は、全てが角管で構成され、同心状に配置された四重管構造とされている。そして、バイパス管20は、流路切替え手段21を備え、切り替え条件例えば熱電変換モジュール3の高温側に加わる温度が熱電素子の耐熱温度を超えるときあるいは接近したときには、バイパス管20を開いて排ガスを迂回させ、切り替え条件を満たさない通常時にはバイパス管20を閉じているものである。すなわち、流路切替え手段21は、通常時には加熱流体たる排ガスのバイパス管20の流路22への流入を阻止または抑制して当該バイパス管20の外の流路5に排ガスを流し、熱電変換モジュール3の高温側が過熱状態に陥る時にはバイパス管20を開放して排ガスの全量あるいは一部を流入させる一方、当該バイパス管の外の流路5を排ガスが流れるのを阻止または抑制する。 尚、本実施形態の熱電変換システムは、加熱ダクト1、冷却管2、套管7及びバイパス管20の全てが、高さに比して幅が広い扁平な長方形状の角管で構成されているが、特にこの形状に限られるものではない。   In the thermoelectric conversion system of this embodiment, a bypass pipe 20 for bypassing exhaust gas is built in the heating duct 1. The bypass pipe 20 is installed in a section of the heating duct 1 where at least the thermoelectric conversion module 3 is disposed, separated from the inner surface of the heating duct 1. The heating duct 1, the cooling pipe 2, the cannula 7 and the bypass pipe 20 are all formed of square tubes and have a quadruple tube structure arranged concentrically. The bypass pipe 20 includes a flow path switching means 21. When the switching condition, for example, when the temperature applied to the high temperature side of the thermoelectric conversion module 3 exceeds or approaches the heat resistance temperature of the thermoelectric element, the bypass pipe 20 is opened to discharge the exhaust gas. The bypass pipe 20 is closed at the normal time when it is bypassed and the switching condition is not satisfied. That is, the flow path switching means 21 prevents or suppresses inflow of the exhaust gas, which is a heated fluid, into the flow path 22 of the bypass pipe 20 at normal times, and causes the exhaust gas to flow in the flow path 5 outside the bypass pipe 20, thereby generating a thermoelectric conversion module. When the high temperature side of 3 falls into an overheated state, the bypass pipe 20 is opened to allow all or part of the exhaust gas to flow in, while preventing or suppressing the exhaust gas from flowing through the flow path 5 outside the bypass pipe. In the thermoelectric conversion system of the present embodiment, the heating duct 1, the cooling pipe 2, the cannula 7 and the bypass pipe 20 are all constituted by flat rectangular square tubes having a width wider than the height. However, it is not limited to this shape.

本実施形態の流路切替え手段21は、バイパス管の上壁及び下壁に設置された弁棒21aと、該弁棒21aに基端が取り付けられた矩形板状の弁体21bとから成り、加熱ダクト1内で弁棒21aを軸として弁体21bが回転する弁構造を成している。弁板21aは、図13及び図15に示すようにバイパス管20の前方から見たときに加熱ダクト1の両側壁に達する長さと、図16及び図18に示すように閉じたとき並びに開いたときに加熱ダクト1の上壁及び下壁に達する幅を有する、僅かに湾曲した矩形の板から成る。ここで、弁板21aが僅かに湾曲しているのは、図16に示すように、バイパス管20の周りの流路5を閉じてバイパス管20に排ガスを導入する際に、圧力損失を軽減するためであり、必ずしも湾曲していなくとも良い。尚、流路切替え手段21は、本実施形態の場合、バイパス管20の入り口に備えられているが、これに特に限られるものではなく、バイパス管20の出口側に設けても同様の働きを行う。弁棒21aは、密閉空間4よりも上流側に配置する場合には、加熱ダクト1を貫通させても特に問題がないので、外部のアクチュエータあるいはリンク機構などで操作するようにしても良いし、内蔵するアクチュエータで操作するようにしても良い。   The flow path switching means 21 of the present embodiment includes a valve rod 21a installed on the upper wall and the lower wall of the bypass pipe, and a rectangular plate-shaped valve body 21b having a proximal end attached to the valve rod 21a. A valve structure in which the valve element 21b rotates around the valve rod 21a in the heating duct 1 is formed. The valve plate 21a reaches the both side walls of the heating duct 1 when viewed from the front of the bypass pipe 20 as shown in FIGS. 13 and 15, and is opened when closed as shown in FIGS. It consists of a slightly curved rectangular plate, sometimes having a width reaching the upper and lower walls of the heating duct 1. Here, the valve plate 21a is slightly curved because, as shown in FIG. 16, the pressure loss is reduced when the flow path 5 around the bypass pipe 20 is closed and exhaust gas is introduced into the bypass pipe 20. Therefore, it is not always necessary to be curved. In the case of the present embodiment, the flow path switching means 21 is provided at the entrance of the bypass pipe 20, but is not particularly limited to this, and the same function can be achieved even if provided on the exit side of the bypass pipe 20. Do. When the valve stem 21a is arranged on the upstream side of the sealed space 4, there is no particular problem even if it passes through the heating duct 1, so it may be operated by an external actuator or a link mechanism, You may make it operate with a built-in actuator.

また、バイパス管20の入口には、側方遮蔽板23が設けられている。この側方遮蔽板23は、バイパス管20の入口付近においてバイパス管20の側壁部分とこれに対向する加熱ダクト1の側壁部分とに挟まれる領域(図12及び図15にハッチングで示す部分)での排ガスの流れを遮蔽するものである。つまり、バイパス管20を開放しかつバイパス管1の周りの流路5を塞いでバイパス管20の流路22に迂回させようとするときに、上下の弁板21aの間から排ガスが流路5内へ漏れ出ないようにするためのものである。一方、この側方遮蔽板23は、バイパス管20の入口付近のみに存在し、かつバイパス管よりも上方及び下方の領域については閉塞していない。したがって、流路切替え手段21がバイパス管20を閉塞している図13及び図14の状態では、流路5の上側及び下側から排ガスが側方遮蔽板23の背後に回り込みにより、側方遮蔽板23の背後のバイパス管20の側壁部分と加熱ダクト1の側壁部分とに挟まれる領域にも排ガスが流れる。   A side shielding plate 23 is provided at the inlet of the bypass pipe 20. This side shielding plate 23 is a region (a portion indicated by hatching in FIGS. 12 and 15) sandwiched between the side wall portion of the bypass pipe 20 and the side wall portion of the heating duct 1 facing the bypass pipe 20 in the vicinity of the inlet of the bypass pipe 20. The flow of exhaust gas is shielded. That is, when the bypass pipe 20 is opened and the flow path 5 around the bypass pipe 1 is closed to bypass the flow path 22 of the bypass pipe 20, the exhaust gas flows between the upper and lower valve plates 21a. This is to prevent leakage. On the other hand, the side shielding plate 23 exists only in the vicinity of the inlet of the bypass pipe 20 and is not closed in areas above and below the bypass pipe. Therefore, in the state of FIGS. 13 and 14 in which the flow path switching means 21 closes the bypass pipe 20, the exhaust gas wraps behind the side shield plate 23 from the upper side and the lower side of the flow path 5, thereby side-shielding. Exhaust gas also flows in a region sandwiched between the side wall portion of the bypass pipe 20 behind the plate 23 and the side wall portion of the heating duct 1.

この切り替え弁21は、例えば、排ガスの温度あるいは加熱ダクトの熱電変換モジュール3側の面の温度を検出する温度センサー(図示省略)からの測定値に基づいて、図示していないコントローラなどで弁開度が制御されるものである。これにより、排ガスが熱電素子の耐熱温度を超える温度となる高速走行時などには、排ガスの全量あるいは一部を加熱ダクト1内のバイパス管20の流路22に流し、加熱ダクト1を介して熱電変換モジュール3に過度な熱が加えられないように制御可能とするものである。この場合、加熱ダクト1に流入する排ガスは通過する流路を内側の流路22か外側の流路5に切り替えられるだけなので、自動車の高速走行性能には影響を与えない。しかも、切り替え弁21による排ガスの流れの切り替えを段階的なものとすれば、バイパス管20に排ガスを流しながらも排ガスの一部をバイパス管20の外の流路5に流すことができる。加熱ダクト1を介して熱電変換モジュール3に適度な熱を加えることによって、走行性能を維持しつつ発電も維持できる。勿論、必要に応じて排ガスの全量をバイパス管20にのみ流すことも可能である。なお、加熱ダクト1には、櫛歯状の襞17が形成され、伝熱面積を大きくして熱伝導性を高めている。また、バイパス管20の支持は、図示していないステーなどで行っても良いが、櫛歯状の襞17を利用して支持するようにしても良い。尚、上述の流路切替え手段21の切替え条件は、主に熱電変換モジュール3に加わる温度を基準にすることが好ましいが、これに特に限られるものではなく、例えば自動車の走行性能を重視する場合には圧力損失に起因する走行性能の悪化を招く排ガスの流量を基準としても良い。   For example, the switching valve 21 is opened by a controller (not shown) based on a measured value from a temperature sensor (not shown) that detects the temperature of the exhaust gas or the surface of the heating duct on the thermoelectric conversion module 3 side. The degree is to be controlled. As a result, when the exhaust gas reaches a temperature exceeding the heat resistance temperature of the thermoelectric element, the entire amount or a part of the exhaust gas is caused to flow through the flow path 22 of the bypass pipe 20 in the heating duct 1 and is passed through the heating duct 1. The thermoelectric conversion module 3 can be controlled so that excessive heat is not applied. In this case, the exhaust gas flowing into the heating duct 1 can be switched only between the inner passage 22 and the outer passage 5 without passing through the passage, so that the high-speed driving performance of the automobile is not affected. Moreover, if the flow of the exhaust gas is switched stepwise by the switching valve 21, a part of the exhaust gas can be flowed to the flow path 5 outside the bypass pipe 20 while flowing the exhaust gas to the bypass pipe 20. By applying moderate heat to the thermoelectric conversion module 3 via the heating duct 1, it is possible to maintain power generation while maintaining running performance. Of course, it is possible to flow the entire amount of exhaust gas only to the bypass pipe 20 as required. The heating duct 1 is formed with comb-like ridges 17 to increase the heat transfer area and increase the thermal conductivity. The bypass pipe 20 may be supported by a stay (not shown) or the like, but may be supported using a comb-like ridge 17. The switching condition of the flow path switching means 21 is preferably based mainly on the temperature applied to the thermoelectric conversion module 3, but is not particularly limited to this, for example, when the driving performance of an automobile is important. Alternatively, the flow rate of exhaust gas that causes deterioration in running performance due to pressure loss may be used as a reference.

図17〜図18に、上述の加熱ダクト内にバイパス管を設けた熱電変換システムを正方形の角管を用いて構成した場合を例に挙げて示す。この熱電変換システムは、排ガスを流す角形の内管(以下、加熱ダクトと呼ぶ)1の周りの4面に熱電変換モジュール3を配置し、内管1の周りを囲む角管状の外管(以下、冷却管と呼ぶ)2との間に4面の熱電変換モジュール3を収納する1つの密閉空間4を形成している。なお、図中の符号24、25は円管からなる自動車の排気管と、本システムの角管から成る加熱ダクト1とを接続するための導入口管並びに導出口管である。   FIGS. 17 to 18 show an example in which a thermoelectric conversion system in which a bypass pipe is provided in the above-described heating duct is configured using a square square pipe. In this thermoelectric conversion system, a thermoelectric conversion module 3 is arranged on four sides around a rectangular inner tube (hereinafter referred to as a heating duct) 1 through which exhaust gas flows, and a rectangular outer tube (hereinafter referred to as an outer tube) surrounding the inner tube 1 is disposed. (Referred to as a cooling pipe) 2, one sealed space 4 for housing the four thermoelectric conversion modules 3 is formed. Reference numerals 24 and 25 in the figure denote an inlet port and an outlet port tube for connecting an exhaust pipe of an automobile formed of a circular tube and a heating duct 1 formed of a square tube of the present system.

ここで、冷却管2は第1の実施形態と同様に、厚さ0.1mm程度の薄肉のオーステナイト・ステンレス製シームレス管を水圧成形(ハイドローリック・フォーミング)により、図12及び図13に示すような角管に成形加工したものを採用している。また、套管7は、厚さ0.1mm〜0.5mm程度の薄肉のオーステナイト・ステンレス製シートをプレス成形した半角あるいは1/4角のケースを突き合わせて電子ビーム溶接で角管に組み立てたものを採用している。そして、角管状の冷却管2と加熱ダクト1とを同心状に重ねて両端を加熱ダクト1に電子ビーム溶接することにより固定されている。また、角管状の套管7は冷却管2の外側に同心状に重ねて配置されてから、その両端を水漏れを防ぐシール材を介在させてから溶接などで固定されている。このとき、加熱ダクト1と冷却管2との間並びに冷却管2と套管7との間には、それぞれ密閉された熱電変換モジュール3を収納する密閉空間4並びに冷却流体を流す流路6が構成される。套管7と冷却管2との間には冷却水を流す流路6が構成される。そして、套管7には入口側冷却配管15および出口側冷却配管16が設けられ、流路6と接続されている。流路6には、スペーサーを兼ねたフローガイド19を設置することが好ましい。フローガイド19は、例えば横断方向に交互に障壁を設けて流路6に導入される冷却水を蛇行させるように案内するもので、冷却水の偏流やショートパスを防いで熱電変換モジュール3をくまなく効率よく冷却することができる。なお、熱電変換モジュール3の電力を引き出す2本の電極は、冷却管2および套管7を貫通して套管7の外に引き出されている。   Here, as in the first embodiment, the cooling pipe 2 is shown in FIGS. 12 and 13 by hydroforming (thin hydraulic forming) a thin-walled austenitic stainless steel seamless pipe having a thickness of about 0.1 mm. The molded tube is used. The sleeve 7 is assembled into a square tube by electron beam welding with a half-width or quarter-width case formed by pressing a thin austenite / stainless steel sheet having a thickness of about 0.1 mm to 0.5 mm. Is adopted. Then, the rectangular tubular cooling tube 2 and the heating duct 1 are concentrically overlapped, and both ends are fixed to the heating duct 1 by electron beam welding. The rectangular tubular cannula 7 is arranged concentrically on the outside of the cooling pipe 2 and then fixed by welding or the like after interposing a sealing material for preventing water leakage at both ends. At this time, between the heating duct 1 and the cooling pipe 2 and between the cooling pipe 2 and the cannula 7, there are a sealed space 4 for housing the sealed thermoelectric conversion module 3 and a flow path 6 for flowing the cooling fluid. Composed. Between the sleeve 7 and the cooling pipe 2, a flow path 6 for flowing cooling water is formed. The sleeve 7 is provided with an inlet side cooling pipe 15 and an outlet side cooling pipe 16 and is connected to the flow path 6. A flow guide 19 that also serves as a spacer is preferably installed in the flow path 6. The flow guide 19 is provided, for example, by providing barriers alternately in the transverse direction so as to meander the cooling water introduced into the flow path 6. The flow guide 19 prevents the drift of the cooling water and a short path and prevents the thermoelectric conversion module 3. And can be cooled efficiently. The two electrodes that draw the electric power of the thermoelectric conversion module 3 penetrate the cooling pipe 2 and the cannula 7 and are drawn out of the cannula 7.

また、加熱ダクト1内には図12に示すようにバイパス管20が設けられている。バイパス管20は、図18に示すように、熱電変換モジュール3と接する加熱ダクト1の熱電変換モジュール接触面1sから隔てられて加熱ダクト1の内部に配置されている。そして、バイパス管20の入り口には、排ガスが流れる流路の切り替えあるいは通過量の制御を行う流路切替え手段21及び側方遮蔽板23が設けられ、図示していない温度センサーなどからのデータに基づいてコントローラなどで制御可能とされている。つまり、熱電変換システムは、高速走行時などの排ガスが熱電素子の耐熱温度を超える温度となった時には排ガスをバイパス管20に導き、通常走行時にはバイパス管20を切替弁21で閉じて外部の加熱ダクト1の流路5に導く。このシステムによると、排ガスの温度や流量について大きな変動が生じたときでも、単一の加熱ダクト1の内部で排ガスの流れを変更できるので、熱電変換システムとは別にバイパス管を設けなくても済む。   Further, a bypass pipe 20 is provided in the heating duct 1 as shown in FIG. As shown in FIG. 18, the bypass pipe 20 is arranged inside the heating duct 1 so as to be separated from the thermoelectric conversion module contact surface 1 s of the heating duct 1 in contact with the thermoelectric conversion module 3. The entrance of the bypass pipe 20 is provided with a flow path switching means 21 and a side shielding plate 23 for switching the flow path through which the exhaust gas flows or controlling the passage amount. Based on this, it can be controlled by a controller or the like. That is, the thermoelectric conversion system guides the exhaust gas to the bypass pipe 20 when the exhaust gas exceeds the heat-resistant temperature of the thermoelectric element during high-speed traveling or the like, and closes the bypass pipe 20 with the switching valve 21 during normal traveling to heat externally. It leads to the flow path 5 of the duct 1. According to this system, even when a large fluctuation occurs in the temperature and flow rate of the exhaust gas, the flow of the exhaust gas can be changed inside the single heating duct 1, so that it is not necessary to provide a bypass pipe separately from the thermoelectric conversion system. .

図19〜図20に、LNG気化器で発生する冷熱を利用する本発明の熱電変換システムをオープンラック式LNG気化器(ORV)に適用した実施形態を示す。このLNG気化器用熱電変換システム28は、オープンラック式LNG気化器(ORV)のORV伝熱管26の下部に設けられることによって、ORV伝熱管26の内部を通過する液体天然ガス(以下、LNGと略称する)と外部を流れ落ちる海水から温度差を得ようとするものである。   FIG. 19 to FIG. 20 show an embodiment in which the thermoelectric conversion system of the present invention using the cold generated in the LNG vaporizer is applied to an open rack LNG vaporizer (ORV). The thermoelectric conversion system 28 for LNG vaporizer is provided in the lower part of the ORV heat transfer tube 26 of the open rack type LNG vaporizer (ORV), so that it passes through the inside of the ORV heat transfer tube 26 (hereinafter abbreviated as LNG). ) To obtain the temperature difference from the seawater flowing down.

オープンラック式LNG気化器は、垂直に設置された一群のORV伝熱管の内部をLNGが上昇し、ORV伝熱管の外表面に沿って海水が流れ落ちるように構成されている。したがって、ORV伝熱管26の下端では、ORV伝熱管26に沿って落下する海水とORV伝熱管26の内部を上昇するLNGとの間で最大の温度差が得られる。例えば、ORV伝熱管26の上端における海水温度が20℃、LNG出口温度が0℃の時、ORV伝熱管26の下端における海水温度は0℃、LNG入り口温度は−160℃となる。一方、ORV伝熱管26の下端部分では、海水温度によっては、LNGの冷熱によってORV伝熱管26の表面が凍結して機能を低下させる場合がある。そこで、海水温度とLNG温度との温度差が大きなORV伝熱管の下部、例えばORV伝熱管の下端から1〜2m程度の範囲に、LNG気化器用熱電変換システム28を設置することが好ましい。   The open rack LNG vaporizer is configured such that LNG rises inside a group of ORV heat transfer tubes installed vertically and seawater flows down along the outer surface of the ORV heat transfer tubes. Therefore, at the lower end of the ORV heat transfer tube 26, the maximum temperature difference is obtained between the seawater falling along the ORV heat transfer tube 26 and the LNG rising inside the ORV heat transfer tube 26. For example, when the seawater temperature at the upper end of the ORV heat transfer tube 26 is 20 ° C. and the LNG outlet temperature is 0 ° C., the seawater temperature at the lower end of the ORV heat transfer tube 26 is 0 ° C. and the LNG inlet temperature is −160 ° C. On the other hand, at the lower end portion of the ORV heat transfer tube 26, depending on the seawater temperature, the surface of the ORV heat transfer tube 26 may freeze due to the cold heat of LNG, thereby reducing the function. Therefore, it is preferable to install the LNG vaporizer thermoelectric conversion system 28 in the lower part of the ORV heat transfer tube where the temperature difference between the seawater temperature and the LNG temperature is large, for example, in the range of about 1 to 2 m from the lower end of the ORV heat transfer tube.

ここで、熱電変換システム28は、伝熱管26の一部を内管1として利用しても良い。ORV伝熱管26は、一般的に、その外側には伝熱面積を増加させて海水との熱伝達を向上させるために、海水の流れ方向(軸方向)に沿ったフィンを多数備える。そこで、例えば図20に示すように、ORV伝熱管26の下部の外側のフィンを削除して外側断面形状を矩形とした内管1に成形し、その外側に多数の熱電変換モジュール3とそれを覆って密閉空間4を内管1との間に区画する外管2とを配置して、熱電変換システム28を構成している。この場合、ORV伝熱管の全長を変えずに熱電変換システム28を構成できる。熱電変換モジュール3は、ORV伝熱管26の下部を矩形に成形した内管1の各辺の周りにそれぞれ配置して角管形状の外管2で覆われている。外管2は、海水に対して耐食性があり、深絞り加工の成型性および溶接性などの観点から、インコネル625(Inconel 625)およびハステロイC4(Hastelloy C4)などの使用が好ましい。また、外管2の厚さは、熱電変換モジュールへの密着性の観点から、0.1〜0.2mm程度が望ましい。外管2は、薄肉で可撓性を有する素材で構成されており、熱電変換モジュール3を配置した状態で密閉空間4を減圧または真空状態とすることにより、熱電変換モジュール3を内管1に向けて押しつけ密着させる加圧力を発生させることができる。ちなみに、本実施形態において、外管2は、相対的に高温となる海水と接触する加熱側の管となる。なお、ORV伝熱管26の下部における温度条件において良好な性能を示す熱電変換モジュールとしては、例えばBiTe熱電変換モジュールの使用が好ましい。   Here, the thermoelectric conversion system 28 may use a part of the heat transfer tube 26 as the inner tube 1. In general, the ORV heat transfer tube 26 includes a large number of fins along the flow direction (axial direction) of the seawater in order to increase the heat transfer area and improve heat transfer with the seawater. Therefore, for example, as shown in FIG. 20, the outer fins at the lower part of the ORV heat transfer tube 26 are deleted to form the inner tube 1 having a rectangular outer cross-sectional shape, and a large number of thermoelectric conversion modules 3 and the outer thermoelectric conversion modules 3 are formed outside thereof. A thermoelectric conversion system 28 is configured by arranging an outer tube 2 that covers and partitions the sealed space 4 between the inner tube 1. In this case, the thermoelectric conversion system 28 can be configured without changing the overall length of the ORV heat transfer tube. The thermoelectric conversion module 3 is covered with a rectangular tube-shaped outer tube 2 by arranging the lower part of the ORV heat transfer tube 26 around each side of the inner tube 1 formed into a rectangular shape. The outer tube 2 has corrosion resistance to seawater, and from the viewpoint of moldability and weldability of deep drawing, it is preferable to use Inconel 625 (Inconel 625) and Hastelloy C4 (Hastelloy C4). The thickness of the outer tube 2 is preferably about 0.1 to 0.2 mm from the viewpoint of adhesion to the thermoelectric conversion module. The outer tube 2 is made of a thin and flexible material, and the thermoelectric conversion module 3 is connected to the inner tube 1 by depressurizing or vacuuming the sealed space 4 with the thermoelectric conversion module 3 disposed. It is possible to generate a pressing force that is pressed and closely adhered. Incidentally, in the present embodiment, the outer pipe 2 is a heating-side pipe that comes into contact with seawater that is relatively hot. In addition, as a thermoelectric conversion module which shows favorable performance in the temperature conditions in the lower part of the ORV heat transfer tube 26, for example, use of a BiTe thermoelectric conversion module is preferable.

また、ORV伝熱管26とは別体に構成した熱電変換システム28を伝熱管26の下端に接続するようにしても良い。この場合には、熱電変換システム28は、例えば図1及び図2に示すように、LNGを流す流路5を区画する内管1と、内管1の周りを囲み内管1との間に密閉空間4を形成する薄肉で可撓性を有する外管2と、内管1と外管2との間に挟まれるように密閉空間4に配置される熱電変換モジュール3とで構成されている。そして、内管1をORV伝熱管26の下端に溶接などで接続することにより、熱電変換システム28をORV伝熱管26の下部として構成できる。ここで、内管1の素材は、ORV伝熱管26の材質としては一般にアルミ合金が使用されていることから、アルミ合金とすることが好ましい。   Further, a thermoelectric conversion system 28 configured separately from the ORV heat transfer tube 26 may be connected to the lower end of the heat transfer tube 26. In this case, as shown in FIGS. 1 and 2, for example, the thermoelectric conversion system 28 is disposed between the inner tube 1 that defines the flow path 5 through which LNG flows, and the inner tube 1 that surrounds the inner tube 1. It is comprised by the thin-walled flexible outer tube 2 which forms the sealed space 4, and the thermoelectric conversion module 3 arrange | positioned in the sealed space 4 so that it may be pinched | interposed between the inner tube 1 and the outer tube 2. . And the thermoelectric conversion system 28 can be comprised as a lower part of the ORV heat transfer pipe 26 by connecting the inner pipe 1 to the lower end of the ORV heat transfer pipe 26 by welding or the like. Here, since the aluminum tube is generally used as the material of the ORV heat transfer tube 26, the material of the inner tube 1 is preferably an aluminum alloy.

なお、ORV伝熱管26と熱電変換システム28の外管2の接続部では表面の形状が不連続になる。このため、ORV伝熱管26の上端から伝熱管表面を流れ落ちる海水が前述の不連続部にて剥離し、外管2の表面に完全に付着できない恐れがある。そこで、両者の接続部に、ORV伝熱管26の輪郭形状から熱電変換システム28の輪郭形状即ち外管2の輪郭形状へと漸次断面形状が変化する数10cm程度の遷移領域27を設け、ORV伝熱管26の表面に沿って流れ落ちる海水の流れ6が外管2の表面から剥離しないようにすることが好ましい。また、外管2には、運転中と停止中の温度差に起因する内管との間で軸方向に生ずる熱膨張差を吸収させるための熱膨張差吸収領域8、例えば図2に示すようなべローズ状の熱膨張差吸収領域8を少なくとも1カ所設けることが望ましい。   In addition, the shape of the surface becomes discontinuous at the connecting portion between the ORV heat transfer tube 26 and the outer tube 2 of the thermoelectric conversion system 28. For this reason, there is a possibility that seawater flowing down the surface of the heat transfer tube from the upper end of the ORV heat transfer tube 26 peels off at the discontinuous portion and cannot be completely attached to the surface of the outer tube 2. Therefore, a transition region 27 of about several tens of centimeters in which the cross-sectional shape gradually changes from the contour shape of the ORV heat transfer tube 26 to the contour shape of the thermoelectric conversion system 28, that is, the contour shape of the outer tube 2 is provided at the connection portion between them. It is preferable that the seawater stream 6 flowing down along the surface of the heat pipe 26 is not separated from the surface of the outer pipe 2. Further, the outer pipe 2 has a thermal expansion difference absorption region 8 for absorbing a thermal expansion difference generated in the axial direction between the inner pipe and the inner pipe due to a temperature difference during operation and stop, for example, as shown in FIG. It is desirable to provide at least one pan-rose thermal expansion difference absorption region 8.

図21に、本発明の熱電変換システムの他の実施形態として、スチーム(水蒸気)を熱源として利用する例を示す。
スチームを熱源とする場合、内管(加熱ダクト)1はシームレス(継ぎ目無し)円管であることが好ましい。この理由は、スチームの高圧に耐えるには円管が最も有利なためである。例えば200℃のスチームの飽和蒸気圧は約16barである。したがって、直径100mm、肉厚1mmのオーステナイト系ステンレス鋼(例えばSUS304など)の円管であれば、16barの内圧に対して十分な耐圧強度を有する。しかも円管は破裂しない限り絶対に変形しない点が、熱電変換モジュール3を接触させる加熱ダクト1として決定的に有利である。矩形の加熱ダクトの場合には、内圧によってダクトが変形し(膨らみ)、熱電変換モジュールの密着を妨げる虞があるので、比較的高圧の加熱流体または冷却流体を流す場合には向いていない。
FIG. 21 shows an example in which steam (water vapor) is used as a heat source as another embodiment of the thermoelectric conversion system of the present invention.
When steam is used as a heat source, the inner pipe (heating duct) 1 is preferably a seamless (seamless) circular pipe. This is because a circular tube is most advantageous to withstand the high pressure of steam. For example, the saturated vapor pressure of steam at 200 ° C. is about 16 bar. Therefore, an austenitic stainless steel (for example, SUS304 or the like) circular tube having a diameter of 100 mm and a thickness of 1 mm has a sufficient pressure resistance against an internal pressure of 16 bar. Moreover, the point that the circular tube is never deformed unless it bursts is decisively advantageous as the heating duct 1 that contacts the thermoelectric conversion module 3. In the case of a rectangular heating duct, the duct is deformed (swelled) by the internal pressure, and the adhesion of the thermoelectric conversion module may be hindered, which is not suitable for flowing a relatively high-pressure heating fluid or cooling fluid.

熱電変換システムの中心となる内管1として円管を採用するため、内管1の周囲には銅やアルミニウムなどの熱伝導性、熱伝導率に優れる金属のブロック29を介在させて熱電変換モジュール3に密着させる平坦な面を形成することが必要となる。ブロック29は、熱電変換モジュール3と密着する平面と内管1の表面と密着する曲面とを有する鞍型である。このブロック29は、内管1並びに熱電変換モジュール3との密着性を保ち接触熱抵抗を低減させるために、両者との接触面が良好な表面仕上げとされることが望ましい。さらに接触面には、図示していないが、接触熱抵抗物質として厚さ約0.15mmのカーボンシートを介在させることが望ましい。なお、本実施形態では、内管1の周囲に4個の鞍型ブロック29を設置しているが、これに限定されるものではなく、外管2が例えば長方形のような扁平な管の場合には2個でも良いし、管状の外管2の断面形状によっては4個より多くても良い。また本断面図においては、各鞍型ブロック29に1個(すなわち1列)の熱電変換モジュール3が置かれているが、複数個(複数列)の熱電変換モジュール3を配置しても良い。   Since a circular pipe is adopted as the inner pipe 1 that is the center of the thermoelectric conversion system, a thermoelectric conversion module is provided around the inner pipe 1 by interposing a metal block 29 having excellent thermal conductivity and thermal conductivity such as copper and aluminum. Therefore, it is necessary to form a flat surface to be in close contact with 3. The block 29 is a saddle type having a flat surface in close contact with the thermoelectric conversion module 3 and a curved surface in close contact with the surface of the inner tube 1. In order for this block 29 to maintain adhesiveness with the inner tube 1 and the thermoelectric conversion module 3 and to reduce contact thermal resistance, it is desirable that the contact surface with the both has a good surface finish. Further, although not shown, it is desirable that a carbon sheet having a thickness of about 0.15 mm is interposed on the contact surface as a contact heat resistance substance. In the present embodiment, the four saddle-shaped blocks 29 are installed around the inner tube 1. However, the present invention is not limited to this, and the outer tube 2 is a flat tube such as a rectangle. There may be two or more than four depending on the cross-sectional shape of the tubular outer tube 2. In this sectional view, one (that is, one row) of thermoelectric conversion modules 3 is placed in each vertical block 29, but a plurality of (a plurality of rows) of thermoelectric conversion modules 3 may be arranged.

ここで、本実施形態の熱電変換システムは、内管1として円管を採用し、鞍型ブロック29を内管1と熱電変換モジュール3との間に介在させている点を除いて、図3〜図11に示す実施形態と基本構成は同じにしている。即ち、熱電変換システムは、鞍型ブロック29に熱電変換モジュール3を密着させ、さらに熱電変換モジュール3の外側には薄肉の角管から成る外管2を密着させる構造としている。また、外管2の四隅の内側には突っ張り棒18を設け、外管2の形状を維持するように構成されている。突っ張り棒18は両端のフランジ部10で固定されている。突っ張り棒18は必須ではないが、外管2が薄肉で大型の場合は設けることが望ましい。一方、突っ張り棒18は外管2が比較的厚肉または小型の場合は不要である。外管2の外側には角管から成る套管7を設け、外管2と套管7との間の隙間で冷却流体を流す流路6が構成されている。この流路6には、冷却流体が蛇行して流れるように案内するスペーサーを兼ねた流路ガイド19が設置されている。この流路ガイド19は、冷却流体の偏流やショートパスを防いで熱電変換モジュール3に均一に熱を与える上で設置することは好ましいが、必ずしも設けなくとも良い。   Here, the thermoelectric conversion system of the present embodiment employs a circular pipe as the inner pipe 1, except that the saddle type block 29 is interposed between the inner pipe 1 and the thermoelectric conversion module 3. The basic configuration is the same as that of the embodiment shown in FIG. That is, the thermoelectric conversion system has a structure in which the thermoelectric conversion module 3 is brought into close contact with the bowl-shaped block 29 and the outer tube 2 made of a thin square tube is brought into close contact with the outside of the thermoelectric conversion module 3. Further, a tension bar 18 is provided inside the four corners of the outer tube 2 so that the shape of the outer tube 2 is maintained. The tension rod 18 is fixed by the flange portions 10 at both ends. The tension rod 18 is not essential, but it is desirable to provide it when the outer tube 2 is thin and large. On the other hand, the tension rod 18 is not necessary when the outer tube 2 is relatively thick or small. A cannula 7 made of a square tube is provided outside the outer tube 2, and a flow path 6 through which a cooling fluid flows is formed in a gap between the outer tube 2 and the cannula 7. The flow path 6 is provided with a flow path guide 19 that also serves as a spacer for guiding the cooling fluid to meander. The flow path guide 19 is preferably installed to prevent uneven flow of the cooling fluid or a short path and to uniformly apply heat to the thermoelectric conversion module 3, but it is not always necessary to provide the flow path guide 19.

本実施形態において、内管1、外管2および套管7のいずれも水に触れるため、錆を防ぐ観点で例えばSUS304などのオーステナイト系ステンレス鋼の使用が望ましい。鞍型ブロック29は熱伝導率が高い材料として銅が適するが、軽量化が重要な場合はアルミニウムでも良い。さらに、内管1は継ぎ目無し円管が最適であるが、継ぎ目のある管でも真円度が良好ならば使用可能である。   In the present embodiment, since all of the inner tube 1, the outer tube 2 and the sleeve 7 are in contact with water, it is desirable to use austenitic stainless steel such as SUS304 from the viewpoint of preventing rust. The saddle-shaped block 29 is suitably made of copper as a material having high thermal conductivity, but aluminum may be used when weight reduction is important. Further, the inner pipe 1 is optimally a seamless circular pipe, but a pipe with a seam can be used if the roundness is good.

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、堅固な内管1の外側に可撓性のある外管2を配置するようにしているが、これに限られるものではない。堅固な外管2の内側に可撓性のある内管1を配置しても良い。また、内管1と外管2とは、双方が薄肉で可撓性があっても、その他の構成部材や加熱流体あるいは冷却流体による支持で形が保たれ得るのであれば実施可能である。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the present embodiment, the flexible outer tube 2 is arranged outside the rigid inner tube 1, but the present invention is not limited to this. The flexible inner tube 1 may be arranged inside the rigid outer tube 2. The inner tube 1 and the outer tube 2 can be implemented as long as both can be thin and flexible as long as the shape can be maintained by support with other components, heating fluid, or cooling fluid.

1 内管
1s 内管の熱電変換モジュール接触面
2 外管
2s 外管の熱電変換モジュール接触面
3 熱電変換モジュール
4 密閉空間
5 内管の内で加熱流体あるいは冷却流体のいずれか一方を流す流路
6 外管の外で冷却流体または加熱流体のいずれか他方を流す流路
7 套管
8 熱膨張差吸収領域
9 接触熱抵抗低減物質
20 バイパス管
21 バイパス管を開閉する流路切替え手段
29 熱電変換モジュールと密着する平坦な面と内側の管の表面と密着する曲面とを有 する金属のブロック
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inner pipe 1s Thermoelectric conversion module contact surface of inner pipe 2 Outer pipe 2s Thermoelectric conversion module contact surface of outer pipe 3 Thermoelectric conversion module 4 Sealed space 5 Flow path through which either heating fluid or cooling fluid flows in inner pipe 6 Flow path for flowing either cooling fluid or heating fluid outside the outer pipe 7 Cannula 8 Thermal expansion difference absorption region 9 Contact thermal resistance reducing substance 20 Bypass pipe 21 Flow path switching means for opening and closing the bypass pipe 29 Thermoelectric conversion A metal block with a flat surface in close contact with the module and a curved surface in close contact with the inner tube surface

Claims (7)

加熱流体あるいは冷却流体のいずれか一方を流す流路を区画する内側の管と、
前記内側の管の周囲を囲むように同心状に配置されて前記内側の管との間に密閉された空間を形成する外側の管と、
前記内側の管と前記外側の管との間の密閉された前記空間に前記内側の管と前記外側の管との間に挟まれるように配置される熱電変換モジュールとを有し、かつ
前記内側の管あるいは前記外側の管の少なくとも一方の前記熱電変換モジュールと接触する熱電変換モジュール接触面が可撓性を備え、
前記密閉空間を減圧または真空にし、
前記内側の管に加熱流体または冷却流体のいずれか一方を流すとともに、前記外側の管の周りに冷却流体または加熱流体のいずれか他方を流すことを特徴とする熱電変換システム。
An inner tube that defines a flow path for flowing either the heating fluid or the cooling fluid;
An outer tube disposed concentrically to surround the inner tube and forming a sealed space with the inner tube;
A thermoelectric conversion module arranged to be sandwiched between the inner tube and the outer tube in the sealed space between the inner tube and the outer tube; and The thermoelectric conversion module contact surface that contacts the thermoelectric conversion module of at least one of the outer tube or the outer tube has flexibility,
The sealed space is depressurized or vacuumed,
One of the heating fluid and the cooling fluid is allowed to flow through the inner tube, and the other of the cooling fluid and the heating fluid is allowed to flow around the outer tube.
前記内側の管とその外側の前記外側の管とはともに角管であり、同心状に配置されるとともに、
前記内側の管を囲むように前記内側の管と前記外側の管の対向する各平面部分に前記熱電変換モジュールが配置されているものである請求項1記載の熱電変換システム。
The inner tube and the outer tube outside thereof are both square tubes and are arranged concentrically,
2. The thermoelectric conversion system according to claim 1, wherein the thermoelectric conversion module is arranged on each of the opposing planar portions of the inner tube and the outer tube so as to surround the inner tube.
前記内側の管は円管であると共に、前記外側の管は角管であり、
前記内側の管の周囲に、前記熱電変換モジュールと密着する平坦な面と、前記内側の管の表面と密着する曲面とを有する金属のブロックを介在させて前記熱電変換モジュールが配置されていることを特徴とする請求項1記載の熱電変換システム。
The inner tube is a circular tube and the outer tube is a square tube;
The thermoelectric conversion module is disposed around the inner tube with a metal block having a flat surface in close contact with the thermoelectric conversion module and a curved surface in close contact with the surface of the inner tube. The thermoelectric conversion system according to claim 1.
前記外側の管の周りにさらに套管を配置し、該套管とその内側の前記外側の管との間に冷却流体あるいは加熱流体のいずれか他方を流す流路が形成されたものである請求項1から3のいずれかに記載の熱電変換システム。   A cannula is further disposed around the outer tube, and a flow path is formed between the cannula and the outer tube on the inner side for flowing either the cooling fluid or the heating fluid. Item 4. The thermoelectric conversion system according to any one of Items 1 to 3. 前記加熱流体を流す前記流路の内部に、前記熱電変換モジュールと接する前記熱電変換モジュール接触面から隔てられたバイパス管を備え、
前記バイパス管は通常時には前記加熱流体の流入を阻止または抑制して当該バイパス管の外の前記流路に前記過熱流体を通過させ、過熱時には前記加熱流体の全量あるいは一部を流入させて当該バイパス管の外の前記流路を通過させる前記加熱流体の流量を阻止または抑制する流路切替え手段を有するものである請求項1から4のいずれか1つに記載の熱電変換システム。
In the inside of the flow path through which the heating fluid flows, a bypass pipe separated from the thermoelectric conversion module contact surface in contact with the thermoelectric conversion module is provided.
The bypass pipe normally prevents or suppresses the inflow of the heating fluid and allows the superheated fluid to pass through the flow path outside the bypass pipe. When the overheat is overheated, the entire amount or a part of the heating fluid is caused to flow into the bypass pipe. The thermoelectric conversion system according to any one of claims 1 to 4, further comprising a flow path switching unit that blocks or suppresses a flow rate of the heating fluid that passes through the flow path outside the pipe.
前記加熱流体と前記冷却流体との温度差に起因する熱膨張差を吸収する熱膨張差吸収領域を備えることを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載の熱電変換システム。   The thermoelectric conversion system according to any one of claims 1 to 5, further comprising a thermal expansion difference absorption region that absorbs a thermal expansion difference caused by a temperature difference between the heating fluid and the cooling fluid. 前記熱電変換モジュールと該熱電変換モジュールと接する前記内側の管あるいは前記外側の管の熱電変換モジュール接触面の少なくともいずれか一方に接触熱抵抗低減物質を介在させていることを特徴とする請求項1から6のいずれか1つに記載の熱電変換システム。   2. The contact thermal resistance reducing substance is interposed in at least one of the thermoelectric conversion module and the inner pipe contacting the thermoelectric conversion module or the thermoelectric conversion module contact surface of the outer pipe. The thermoelectric conversion system as described in any one of 1-6.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014075959A (en) * 2012-10-05 2014-04-24 Hitachi Chemical Co Ltd Thermoelectric generator
JP2015154640A (en) * 2014-02-17 2015-08-24 トヨタ自動車株式会社 Thermoelectricity generation device
JP2017017903A (en) * 2015-07-02 2017-01-19 株式会社デンソー Thermoelectric power generation device
GB2549123A (en) * 2016-04-06 2017-10-11 Jaguar Land Rover Ltd Energy recovery unit for vehicle use
KR20180128726A (en) * 2017-05-24 2018-12-04 주식회사 엘지화학 Thermoelectric module
US20180363852A1 (en) * 2015-08-20 2018-12-20 Samsung Heavy Ind. Co., Ltd. Thermoelectric power generating module, and thermoelectric power generating device, anti-freezing vaporizer, and vaporized fuel gas liquefaction process device including same
JP2019160889A (en) * 2018-03-09 2019-09-19 古河機械金属株式会社 Thermoelectric conversion device
WO2022210416A1 (en) * 2021-04-01 2022-10-06 株式会社Eサーモジェンテック Thermoelectric power generation system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000018095A (en) * 1998-06-30 2000-01-18 Nissan Motor Co Ltd Exhaust heat power generating set
JP2004088057A (en) * 2002-01-25 2004-03-18 Komatsu Ltd Thermoelectric module
JP2005223131A (en) * 2004-02-05 2005-08-18 Toyota Motor Corp Thermoelectric generator of internal combustion engine
JP2010136507A (en) * 2008-12-03 2010-06-17 Ihi Plant Construction Co Ltd Heat exchanger incorporating cold thermal power generation element
JP2011089973A (en) * 2009-10-26 2011-05-06 Central Res Inst Of Electric Power Ind Thermoelectric conversion module assembly for nuclear reactor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000018095A (en) * 1998-06-30 2000-01-18 Nissan Motor Co Ltd Exhaust heat power generating set
JP2004088057A (en) * 2002-01-25 2004-03-18 Komatsu Ltd Thermoelectric module
JP2005223131A (en) * 2004-02-05 2005-08-18 Toyota Motor Corp Thermoelectric generator of internal combustion engine
JP2010136507A (en) * 2008-12-03 2010-06-17 Ihi Plant Construction Co Ltd Heat exchanger incorporating cold thermal power generation element
JP2011089973A (en) * 2009-10-26 2011-05-06 Central Res Inst Of Electric Power Ind Thermoelectric conversion module assembly for nuclear reactor

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014075959A (en) * 2012-10-05 2014-04-24 Hitachi Chemical Co Ltd Thermoelectric generator
JP2015154640A (en) * 2014-02-17 2015-08-24 トヨタ自動車株式会社 Thermoelectricity generation device
JP2017017903A (en) * 2015-07-02 2017-01-19 株式会社デンソー Thermoelectric power generation device
US20180363852A1 (en) * 2015-08-20 2018-12-20 Samsung Heavy Ind. Co., Ltd. Thermoelectric power generating module, and thermoelectric power generating device, anti-freezing vaporizer, and vaporized fuel gas liquefaction process device including same
GB2549123A (en) * 2016-04-06 2017-10-11 Jaguar Land Rover Ltd Energy recovery unit for vehicle use
GB2549123B (en) * 2016-04-06 2019-10-09 Jaguar Land Rover Ltd Energy recovery unit for vehicle use
US10823111B2 (en) 2016-04-06 2020-11-03 Jaguar Land Rover Limited Energy recovery unit for vehicle use
KR20180128726A (en) * 2017-05-24 2018-12-04 주식회사 엘지화학 Thermoelectric module
KR102109927B1 (en) * 2017-05-24 2020-05-12 주식회사 엘지화학 Thermoelectric module
JP2019160889A (en) * 2018-03-09 2019-09-19 古河機械金属株式会社 Thermoelectric conversion device
WO2022210416A1 (en) * 2021-04-01 2022-10-06 株式会社Eサーモジェンテック Thermoelectric power generation system

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