JP2013531458A - 相変化材料を含む熱電発電装置 - Google Patents

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Abstract

少なくとも1つの熱電素子(2)と、異なる相変化温度(Tf1、Tf2)を有する2つの相変化材料(MCP1、MCP2)とを含む熱電発電装置であって、前記少なくとも1つの熱電素子(2)は、相対する2つの主要面(8、10)を有し、前記面(8、10)のそれぞれは、加熱または冷却段階の間、熱電素子(2)が2つの相変化材料(MCP1、MCP2)によって課せられる温度勾配だけにさらされるように、相変化材料(MCP1、MCP2)の1つによって覆われる。

Description

本発明は、相変化材料を使用する熱電発電装置に関し、より一般的には熱電エネルギー源に関する。
用語「熱電効果」は、温度差を受ける異なる性質の2つの導電材料の接合部に電位差が出現することを示し、この効果は、ゼーベック効果とも呼ばれる。
ゼーベック効果の最もよく知られた使途は、熱電対を使用して温度を測定することである。
これまでは、熱から電気を発生させるための熱電変換システムまたは熱電源は、それらの低レベルの効率およびそれらの高コストに起因してニッチ市場に限定されてきた。
温度が通常厳密に均一である環境の場合には、そのシステムは、連続して温度勾配にさらされない。そのため電池が、温度勾配が出現するときに発生する電流を蓄えるために提供されなければならない。その結果、電気発生は、制御されない事象に左右される。
加えて、独立したシステム、すなわち温度差を制御するためのデバイスにつながっていないシステムの場合には、温度差は、変動し、電圧および電流を一定に発生させることができない。これは、その端子での電圧変動に耐えられない電池の電力供給の場合に特に問題である。
欧州特許出願公開第1001470号明細書は、熱電素子によって電力を供給される腕時計を記述する。相変化材料を含む2つの素子がありうる。記述される配置および記述される動作では、熱電素子内の熱勾配を、それが所与の期間にわたって一定であり、熱電素子が安定した電力を供給するように制御できない。
欧州特許出願公開第1001470号明細書
その結果、本発明の1つの目的は、安定した電力の発生が制御される、相変化材料を使用する熱電発電装置を提供することである。
上で提示した目的は、少なくとも1つの熱電素子および異なる相変化温度を有する相変化材料を含む2つの要素を含む熱電発電装置を通じて達成され、相変化材料を含む要素は、熱電素子が相変化材料を含む2つの要素によって課せられる温度勾配だけにさらされるように熱電素子の両側に配置される。それ故に、相変化材料を含む要素の1つが、液相および固相の両方から成るとき、この要素は、一定の温度にある。その結果、熱電素子を通る温度勾配は、一定である。そのため熱電素子は、安定した電力を供給することができる。
言い換えれば、相変化材料を含む要素および熱電素子は、熱的に直列に配置され、すなわち熱電素子はそのため、相変化材料を含む2つの要素の温度だけを受ける。
一定の熱パワー値を熱電素子に供給することが求められるが、すべての他のパラメーターは、すでに一定であるので、一定の熱パワー値の供給は、一定の温度勾配を前提とする。
相変化材料を含む要素は、熱電素子の両面が完全に相変化材料の温度にさらされるように、熱電素子の両面に配置される。
特に有利な方法では、融解段階で、熱電素子を通る温度勾配が一定である期間を延長するために、2つの相変化材料間で熱的短絡を実施すると決定されてもよい。これらの熱的短絡は、相変化材料を含む要素間の流体連通によって実施でき、熱源に直接さらされない相変化材料での液体核の早期出現を引き起こす。最もさらされることの少ない材料で核の出現を急速に生じさせ、温度が一定である期間を延長するために、相変化材料のタンク間が、接続される。
別の特に有利な方法では、固化段階で、固化が遅れて、温度勾配が一定である期間を延長することができる領域が、含まれてもよい。これを成し遂げるために、相変化材料の厚さがメルトフロント距離よりも大きい領域が、含まれる。
本発明の主題はその結果、少なくとも1つの熱電素子と、異なる相変化温度を有する2つの相変化材料とを備える熱電発電装置であり、前記少なくとも1つの熱電素子が、相対する2つの主要面を有し、前記面のそれぞれが、加熱または冷却段階の間、熱電素子が2つの相変化材料によって課せられる温度勾配だけにさらされるように、相変化材料の1つによって覆われる。
例となる実施形態では、熱電発電装置は、相変化材料を収容する複数の筐体を含み、各筐体は、第1および第2の部品を有し、第1の部品は平板を備え、その平板の1つの面に突出フィンが取り付けられ、第2の部品は平板を備え、その平板の一方の面が熱電素子と接触し、他方の面に突出フィンが取り付けられ、第1および第2の部品は、フィンが互いに貫通し合って、相変化材料が存在する空洞を形成するように、互いに向かい合って組み込まれる。
有利には、筐体のそれぞれの少なくとも一部の中の相変化材料の厚さは、下記の数式（１）で表されるメルトフロント距離程度であり、好ましくはわずかにメルトフロント距離以下である。
Figure 2013531458
ただしkは、相変化材料の熱伝導であり、Lは、相変化材料の融解潜熱であり、ΔTは、フィンの壁の温度と相変化材料の相変化温度との間の温度差であり、tは、時間である。
特に有利な方法では、本発明による熱電発電装置は、2つの相変化材料を直接接触させるための手段を含む。
2つの相変化材料を直接接触させた状態にする前記手段は、第1の相変化材料が中に存在する筐体と第2の相変化材料が中に存在する筐体とを接続する少なくとも1つのダクトを備えることができ、前記ダクトが、第1の相変化材料および第2の相変化材料によって部分的に満たされる。
好ましい方法では、ダクトの横断寸法は、下記の数式（２）で表されるメルトフロント距離以下である。
Figure 2013531458
ただしkは、相変化材料の熱伝導であり、Lは、相変化材料の融解潜熱であり、ΔTは、ダクトの壁の温度と相変化材料の相変化温度との間の温度差であり、tは、時間である。
本発明の好ましい実施形態によると、ダクトの横断寸法は、メルトフロント距離よりもはるかに小さく、例えばこの距離の0.01から50%だけ、または0.1から20%さえを示す。
ダクトは、十分な熱伝導率を提供する材料、すなわち、その熱伝導率が本発明で使用されるMCP[相変化材料]の熱伝導率よりも大きい材料でできていてもよい。
例えば、ダクトは、アルミニウム、鋼、銅またはステンレス鋼でできていてもよい。
有利には、ダクトの中央部分は、限られた熱伝導率を有する材料、すなわち、相変化材料の熱伝導率未満である熱伝導率を有する材料でできている。
例えば、ダクトの前記部分は、ガラスまたはプラスチックでできていてもよい。
少なくともある体積の液体が、前記ダクト内で第1の相変化材料と第2の相変化材料とを隔てると決定されてもよい。
同様に特に有利な方法では、より高い相変化温度を有する相変化材料を収容する筐体は、その厚さがメルトフロント距離よりも大きい相変化材料の領域を有する。
これは、2つのフィン間の距離が局所的にメルトフロント距離よりも大きいことを確実にすることによって得られてもよい。変形形態として、筐体は、相変化材料を収容する追加されたタンクを含んでもよく、前記タンクの横断寸法は、メルトフロント距離よりも大きい。
本発明による熱電発電装置は好ましくは、相変化材料および少なくとも1つの熱電素子によって形成されるスタックを通って熱流束を案内するための断熱手段によって囲まれる。
本発明の別の目的は、本発明による熱電発電装置および熱源を備える電気発生システムである。
熱源は、より高い相変化温度を有する相変化材料を収容する筐体の側に配置されてもよい。
別の例となる実施形態では、本発明による電気発生システムは、熱伝達流体を収容する閉じた流体回路を備えてもよく、前記回路は、第1および第2の相変化材料と熱交換することができると共に熱源を横断し、その熱源は、熱伝達流体の流れの方向において、より低い相変化温度を有する相変化材料の下流側に位置すると共に、かつより高い相変化温度を有する相変化材料の上流側に位置し、熱伝達流体が、より低い相変化温度を有する相変化材料と熱交換するとき、その温度は、少なくとも前記材料の相変化温度に等しく、熱伝達流体が、より高い相変化温度を有する相変化材料と熱交換するとき、その温度は、少なくとも前記材料の相変化温度に等しい。
熱源は、例えば少なくとも1つの集積回路によって形成される。
本発明は、次に来る説明および添付の説明図を用いてより良く理解されることになる。
本発明による熱電発電装置の概略図である。 2つの相変化材料間に熱的短絡を有する、本発明による熱電発電装置の実際的な例となる実施形態の概略図である。 図2Aの詳細図である。 一状態での熱的短絡を示す図2Aの詳細図である。 一状態での熱的短絡を示す図2Aの詳細図である。 一状態での熱的短絡を示す図2Aの詳細図である。 一状態での熱的短絡の変形実施形態の図である。 一状態での熱的短絡の変形実施形態の図である。 一状態での熱的短絡の変形実施形態の図である。 流体回路と関連する、本発明による熱電発電装置を含む電気発生システムの概略図である。 温度が変化するとともに相変化材料に蓄えられるまたは解放されるエネルギーの変化のグラフ表示である。
図1では、熱電素子2ならびにそれぞれが相変化材料MCP1、MCP2を収容する第1および第2の要素4、6を含む、本発明による熱電発電装置の概略図が、見られる。本説明の残りでは、相変化材料は、「MCP1材料」および「MCP2材料」によって示されることになる。
熱電素子2は、より大きな面積の相対する2つの面8、10を有する。面8、10のそれぞれは、相変化材料を備える要素4、6の1つと接触している。
相変化材料を備える第1および第2の要素4、6は、熱電素子2の両方の面8、10を完全に覆う。
相変化材料を含む第1および第2の要素4、6のそれぞれは、熱電素子2の面8、10と接触している面12.1、14.1を有する筐体12、14および筐体12、14中のMCP1、MCP2材料を有する。
熱電発電装置は有利には、スタックの軸に沿って熱流束を案内し、また外部への熱損失も低減する断熱材17によって囲まれる。
本発明によると、MCP1材料とMCP2材料とは、異なる固液相変化温度Tf1、Tf2を有する。
MCP1材料は、より高い融点を有し、熱源15の側に配置されることが意図されている。この熱源は、コンピュータの集積回路、光起電セル、太陽熱用部品、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などの電力電子部品、マイクロ電子部品、例えばマイクロプロセッサなどであってもよい。
用語「熱電素子」は、それが温度勾配にさらされるとき電力を発生させることができる任意のデバイスを示す。
例えば、熱電素子2は、基板および直列に接続される1つまたは複数のP-N接合を含む。P-N接合は、Nドープの半導体材料およびPドープの半導体材料によって形成される。材料は、交互に配置され、熱電素子の2つの面8、10の間に延在する。Nドープの材料と隣接するPドープの材料との間が、P-N接合を形成するように相互接続される。したがって、P-N接合の両方の材料は、MCP1およびMCP2材料によって課せられる同じ熱流束にさらされる。P-N接合は、電気的に直列に接続される。
P-N接合の材料は、基板によって隔てられ、その基板は、P-N接合の電気的短絡を防止するための電気絶縁体であり、かつMCP1材料とMCP2材料との間の熱的短絡を防止するのに十分な断熱材であるように選択される。基板は、例えば軟質ポリマー、セラミックまたは金属でできていてもよい。使用されるポリマーは、熱硬化性ポリマーとすることができる。
モジュールの端子での電圧ΔVは、P-N接合の数に依存し、この数が多いほど、電圧は高い。
Nドープの材料とPドープの材料との間の接続およびP-N接合間の相互接続は、例えば銅でできている。
MCP1材料は、相変化温度T1を有し、このMCP1材料は、熱電素子の面8に温度T1を課し、熱電素子の面10は、MCP2材料の温度T2である。
差ΔT = T1 - T2は、電圧ΔVを熱電モジュール2の端子に出現させる。
ゼーベック効果は、次の関係式、
ΔV = ΔT・S
をもたらす。ただし
- ΔVは、熱電モジュールの端子でのボルト単位の電位差であり、
- ΔTは、P-N接合での℃単位の温度勾配であり、
- Sは、V・K-1単位のゼーベック係数である。
それ故に、課せられる温度勾配ΔTが高いほど、熱電発電装置によって発生する電位差ΔVは大きい。
ΔTの値は、所望の電力値に従って選択され、例えば、もし数百ミリワットの電力値が望まれるならば、20℃の温度差ΔTで十分である。もし数ワットの電力値が求められるならば、数百℃の温度差が、必要とされる。
熱が熱源によって提供されると、相変化材料は、徐々に固体状態から液体状態に変わり、この液体は、筐体に閉じ込められる。
熱電素子2はその場合、その第1の面8とその第2の面10との間の温度勾配にさらされる。相変化材料を含む要素は、一方では熱源と熱電素子との間に、他方では熱電素子の後面に熱的バッファーを形成し、この手段によって熱電素子に熱勾配を課す。
図6では、蓄えられるエネルギーおよび解放されるエネルギーEの変化が、MCP1およびMCP2材料の両方について温度Tの関数として示される。MCP1材料のエネルギー変化は、実線で表され、MCP2のそれは、点線で表される。参照記号Sは、固相だけを示し、参照記号Lは、液相だけを示し、参照記号S+Lは、固相および液相の混合を示す。
MCP1、MCP2材料のそれぞれは、固相および液相が共存する限りずっと一定の温度Tf1、Tf2を有する。これらの期間は、図6で垂直線によって表される。
両方の相変化材料がその間同時に一定の温度Tf1、Tf2である、ΔTcstで示される領域は、途切れない水平線によって区切られる。これは、安定した電力を発生させることができる期間である。
本発明によると、熱電素子は、2つの相変化材料MCP1、MCP2によって課せられる温度勾配だけにさらされる。その結果、2つの材料MCP1、MCP2が一定の温度Tf1、Tf2である期間中は、熱電素子2がさらされる温度勾配は、一定である。熱電発電装置はその場合、安定した電力を発生させることができる。
本発明により、相変化材料を使用して、熱源から安定した電力を発生させることが、それゆえ容易である。
図2Aおよび図2Bでは、安定した電力の発生の期間を延長する、本発明による熱電発電装置の特に有利な実施形態が、見られる。
図1について使用される参照記号は、図2Aで同じ要素を示すために使用されることになる。
この実施形態は、とりわけ熱電発電装置が、相変化材料を含む第1の要素4と相変化材料を含む第2の要素6との間に熱的短絡を形成する手段16を含む点において、図1の実施形態と異なる。
加えて、図2Aでは、相変化材料を含む要素4、6、より詳しくは筐体の実際的な例となる実施形態が、見られる。
この例では、各筐体は、例えばパイレックス(登録商標)類のガラスでできている外壁19および相変化材料と熱電素子との間で熱を伝達するための手段を備える。筐体の熱伝導率は低く、好ましくはMCPの熱伝導率未満である。
表示される例では、熱伝達手段は、互いにかみ合っている外側部品18および内側部品20を備える。部品18、20は、平板18.1および平板18.1の面の1つから突き出ているフィン22を備える。これらの部品は、アルミニウムまたは銅などの、十分な熱伝導率を提供する材料から製造される。
フィン22は、例えば三角形の断面を有する。フィン22の機能は、相変化材料と外部環境との間により高い熱交換領域を出現させることである。部品は、それらの「表面レイアウト」係数によって特徴付けられ、それは、フィンのない部品の面積に対するフィンのある部品の面積の比に等しい。例えば、出現係数2は、相変化材料の貯蔵パワー密度が二倍になることを可能にする。大きな出現係数を有する部品が、好ましくは選択されることになる。図2Aでは、部品の出現係数は、6程度である。
2つの部品18、20は、部品18、20のフィン22が他方の部品20、18の2つのフィン22の間に受け入れられるように互いにかみ合っている。それゆえこれらの2つの部品18、20は、ジグザグの断面を持つ空洞24を規定する。相変化材料を含む第1の要素4の外側部品18の平板18.1の平坦面は、熱源15から熱流束Fを受け取り、相変化材料を含む第1の要素4の内側部品20の平坦面は、熱電素子2と接触している。
内側部品20のフィン22は、熱をMCP1材料から熱電素子2に、次いで熱電素子2からMCP2材料に伝導するフィンを形成する。
熱源15の側に位置する相変化材料を含む要素4の場合には、外側部品18のフィン22は、熱源15からの熱をMCP1材料に伝導するためにも使用される。
内側部品20は、例えば十分な熱伝導を確保するために熱電素子2の面に接着される。
外壁と2つの部品18、20との間のアセンブリは、当業者に周知の従来の手段によって相変化材料に対して密封される。
MCP1材料は、例えばRT58(登録商標)であって、その相変化温度は、58℃であり、MCP2材料は、RT35H(登録商標)であって、その相変化温度は、35℃であり、いずれもRubitherm(登録商標)社から入手可能である。
構成を簡単にするために、2つの筐体は、同一である。しかしながら、MCP2材料を収容する筐体に関しては、熱が熱電発電装置の外部に伝導されることが望ましくないので、筐体が外側部品18の領域にフィン22を有さないことも可能である。
相変化材料の厚さは有利には、筐体のそれぞれでほぼ一定である。この厚さは、2つの隣接するフィン22に向かい合った面を分離する距離に等しく、その面は、相変化材料と熱交換する2つの表面を形成する。
相変化材料の平均厚さは、特性長Lcに等しい。
特に有利な方法では、特性長Lcは、メルトフロントによって覆われる距離程度であり、好ましくはメルトフロントによって覆われる距離以下である。用語「程度」は、多かれ少なかれ30%の差が許容されることを意味すると理解される。それ故に、フィン22によって伝達される熱は、材料を最後まで横断することができ、熱源に依存する所与の時間で材料を完全に溶融することができる。
メルトフロント距離は、次の数式（３）によって与えられる。
Figure 2013531458
ただし、
k: 熱伝導、
L: MCPの融解潜熱、
ΔT: フィンの壁の温度とMCPの相変化温度との間の温度差、
t: 時間である。
相変化材料の貯蔵パワーは、次の数式（４）によって与えられる。
Figure 2013531458
その結果、メルトフロント距離は、貯蔵パワーおよび時間に依存する。
以下の表では、MCP1およびMCP2材料が0.2W/m/Kに等しい熱伝導を有し、熱源が100℃の温度であると仮定して、異なるメルトフロント距離値が、貯蔵パワーおよび時間に従って一緒に分類されている。
Figure 2013531458
熱電発電装置の動作条件に応じて、筐体中の相変化材料の有利な最大厚さが、計算できる。
両方の材料は、同じ熱伝導率を有することは全く必要でないと明確に理解される。それらは、異なるように選択されてもよく、この場合には、2つの筐体中の2つの相変化材料の厚さが、異なることになる。
次に熱的短絡手段16を詳細に述べるものとする。
図3Aから図3Cでは、そのような熱的短絡手段16の例が、3つの異なる状態で見られる。
この例では、熱的短絡手段16は、MCP1材料のタンクの内部をMCP2材料のタンクに接続する1つまたは複数のダクト26を含む。表示される例では、熱電発電装置は、2つのダクト26を備える。MCP1およびMCP2材料が固体状態にあるときは、MCP1材料を収容する筐体の側のダクトの部分、図3Aの表示で上側部分は、MCP1材料で満たされ、MCP2材料を収容する筐体の側のダクトの部分、図3Aの表示で下側部分は、MCP2材料で満たされる。ガス、例えば空気で満たされている体積28は、固体状態にある2つのMCP1、MCP2材料の間に存在する。
有利には、ダクト26は、十分な熱伝導率を有する材料でできており、それは、例えば金属、例えばアルミニウムまたは銅でできている。
さらに有利には、少なくともMCP1材料と空気または液体との界面と少なくとも空気または液体とMCP2材料との界面との間に延在するダクトの中央部分は、熱の大部分、例えば少なくとも90%程度が、相変化材料を通過し、ダクトの壁を通らないように、低い熱伝導率を有する。例えば、このダクト部分は、例えばプラスチック材料またはガラスなどの、相変化材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材料でできており、および/もしくは熱流束に小さな断面を提供するために薄い。例えば、この中央部分は、ダクトの全長の10%から30%に相当することもある。
本実施形態による熱電発電装置は、MCP1、MCP2材料を収容する筐体間に分配されるいくつかのダクト26を含むこともできる。
熱電発電装置は、互いに隣接して配置されるいくつかのダクトを含むこともできる。
MCP1材料が溶融すると、MCP1材料は、広がり、MCP2材料と接触し、MCP2材料に熱を伝達して、MCP2材料を溶融させる。MCP1およびMCP2材料は、それらが混和性でないように選択される。
特に有利な方法では、ダクト26の横断寸法、すなわち、円形断面のダクトの場合にはその直径は、ダクト中の相変化材料MCP1の完全な溶融が、特にその中央部で急速に生じるように、特性寸法Lc未満である。メルトフロント距離は、所与の時間にわたってメルトフロントが進む距離に等しい。ダクトの直径をこの距離未満にするように選択することによって、メルトフロントは、ダクトの直径を進み切ることになり、それゆえダクト中のすべてのMCP1材料は、溶融していると確信できる。
上で与えられる寸法の例は、ダクトの寸法設計にも適用される。それ故に、熱電発電装置の動作条件に応じて、2つの筐体をつなぐダクトにとって有利な最大直径を計算することが可能である。
ダクトに収容されるMCP2材料の体積と筐体中のMCP2材料の体積との間の比は、有利には30%未満、好ましくは20%未満、さらに好ましくは2から15%程度である。
次に、MCP1、MCP2材料が固体であると仮定して、この熱電発電装置の動作を説明するものとする。
相変化材料MCP1を含む要素が、熱源にさらされると、相変化材料MCP1は、溶融し始め、ダクト26に位置するMCP1材料も、溶融し始める(図3A)。溶融している間は、MCP1材料は、一定の温度Tf1である。MCP1材料は次いで、ダクトに位置するMCP2材料と接触する(図3B)。少量の熱が次いで、ダクト中のMCP1材料とMCP2材料との間で伝達され、MCP2材料が、溶融し始める(図3C)。材料MCP2はその場合、一定の温度Tf2である。
それ故に、これらの熱的短絡手段16により、材料MCP2の液体の最初の核の出現は、どんな熱抵抗が熱電素子によって形成されても、より急速に引き起こされるが、しかしながらすべてのMCP2材料の完全な溶融を加速することはない。MCP2材料の液体の最初の核が出現するとすぐに、MCP2材料は、固体MCP2材料の最後の核が消失するまで温度Tf2となる。その結果、MCP1、MCP2材料が両方とも一定の温度である期間が、延長される。
それゆえこれによって、すべてのMCP1材料、またはその大部分が、MCP2材料が溶融する前に溶融することが防止される。これは、熱電素子によって形成される熱抵抗を短絡することによって達成される。
これらの熱的短絡手段は、MCP2材料の液体の核が急速に生成されることを可能にするが、しかしながら、ダクトで使用される材料は、追加され、いかなる場合でも熱勾配の生成に寄与しないので、熱勾配の生成に関与するMCP2材料の体積を低減することはない。この量の材料は、熱電素子からは「見え」ない。
異なるダクトは、互いに異なる直径を有してもよく、それ故に最大直径を有するダクトでの完全な溶融は、最小直径を有するダクトでよりも遅く生じることになると明確に理解される。可変直径を有する1つまたは複数のダクトが、想定されてもよい。この変形形態は、柔軟な応答を有するシステムが得られることを可能にし、それ故にもしダクト断面が増大するならば、同じデバイスについてより大きなパワー値またはソース時間(上記の表でのデータを参照)を短絡することが、可能となる。
図4Aから図4Cでは、2つの筐体間の短絡手段の変形形態が、見られる。この変形形態では、2つの材料間の体積28は、液体30、例えば水で部分的に満たされる。この液体は、MCP1材料とも、MCP2材料とも混和性がない。それが変形可能であることに起因して、液体30の体積は、溶融したMCP1材料とまだ溶融していないMCP2材料との間に十分な界面を提供する。
これらの短絡手段の動作は、図3Aから図3Cで表示される手段の動作に似ており、ここでは繰り返さないことにする。
本発明による熱電発電装置は有利には、より高い融点Tf1を有する材料であるMCP1材料の完全な固化を遅らせるための手段も含む。
MCP1材料の完全な固化を遅らせるための手段は、MCP1材料を収容する領域によって形成され、その領域の寸法、特に筐体の2つの内部表面間のその領域の寸法は、筐体の残りの寸法よりも大きい。
例えば、図2Aの熱電発電装置の場合には、ジグザグ状の空洞は、チャネルを規定する2つの部品18、20の2つのフィン間の距離が、特性寸法Lcよりも大きい、例えば2倍以上大きい領域を含んでもよい。変形形態として、筐体は、付加的な追加されたタンクを含んでもよく、その横断寸法は、特性寸法よりも大きい。
厚さがメルトフロント距離よりも大きいMCP1材料の部分の体積とMCP1材料の全体積との比は、有利には30%未満、好ましくは20%未満、さらに好ましくは2から15%程度である。
次に、MCP1、MCP2材料が最初は液体であると仮定して、この熱電発電装置の動作を説明するものとする。
もし熱源が存在しないならば、筐体は、冷たくなり、実際フィン22もまた、冷たくなり、それは、MCP1およびMCP2材料の温度を低下させる。
MCP1材料は、より高い融点を有する材料であるので、MCP1材料は、最初に固化する。
MCP1材料の固化が生じていて、かつ液相が存在する間は、MCP1材料の温度は、温度Tf1である。したがって、熱電素子を通る温度勾配は、一定である。より大きな寸法のこの領域を含むことによって、この領域でのMCP1材料の固化は、MCP1材料の残りと比較して遅れる。したがって、MCP1材料の液相の存在が、したがって一定温度Tf1の維持とともに、したがって一定温度勾配の維持とともに延長される。
図5では、流体回路と関連する本発明による熱電発電装置の動作の別の方法が、見られる。
図1および図2Aの熱電発電装置と異なり、熱源は、相変化材料を含む第1の要素に直接照射せずに、熱伝達流体が流れる流体回路32と熱を交換する。
熱源は、熱伝達流体の流れの方向で相変化材料を含む第2の要素6の下流に、かつ相変化材料を含む要素4の上流に位置する。流体回路32は、閉ループを形成し、相変化材料を含む第2の要素6、ホットソース15および相変化材料を含む第1の要素4を横断する。熱伝達流体の温度は、少なくとも相変化材料MCP2の温度に等しい。
相変化材料の筐体は、相変化材料MCP1およびMCP2のための空洞、ならびに熱伝達流体の密封された流れのためのチャネルを区切るようなものである。相変化材料を含む要素4、6の筐体を密封されて横断する管が、含まれてもよい。
ホットソースは、例えばコンピュータでの集積回路である。
次に図5の回路の動作を説明するものとする。
「冷たい」熱伝達流体は、相変化材料を含む第2の要素を横断し、MCP2材料の部分的溶融を引き起こす。この熱伝達流体は次いで、ホットソースを横断し、そこで熱伝達流体は、少なくともTf1に等しい温度に加熱される。加熱された熱伝達流体は次いで、相変化材料を含む第1の要素を横断し、MCP1材料の部分的溶融を引き起こす。熱伝達流体は、次いで冷却され、次いで相変化材料を含む第2の要素に戻される。
熱伝達流体が回路を流れる限り、MCP1およびMCP2材料は、固液相転移の状態にある。相変化材料を含む要素のそれぞれの温度は、一定であり、実際、熱電素子に印加される温度勾配も一定である。熱電発電装置はその場合、安定した電力を発生させる。
このようにして抽出される熱は、コンピュータによって使用できる電気を発生させることができるので、図5のシステムは、コンピュータの集積回路を冷却するのに特に適している。コンピュータが動作する限りずっと、熱伝達流体は、回路32を流れ、MCP1、MCP2材料を過渡的相変化状態に保つ。
相変化材料の特性は、図6でわかるように、可逆的であるので、安定した電気エネルギーは、本発明により、熱源の周期的動作、すなわち、熱の放出(MCP1およびMCP2材料の加熱および溶融)の期間ならびに熱の非放出(MCP1およびMCP2材料の冷却および固化)の期間を交互に切り替えることによって、周期的に発生させることができる。
本発明による熱電発電装置は、用途に応じて、電気的に直列にまたは並列に接続されるいくつかの熱電素子を含むことができると明確に理解される。熱電素子は、熱的に並列に接続される。熱電素子は、相変化材料を含む2つの要素間で互いに隣接して配置される。
本発明で使用できる相変化材料は、有機材料、例えば相変化温度が99℃であるRubitherm(登録商標)のRT100(登録商標)、相変化温度が122℃である安息香酸、相変化温度が130℃であるベンズアミド、相変化温度が123℃であるスチルベン、相変化温度が118℃であるエリトリトールなど、塩の水和物、例えば相変化温度が117℃であるMgCl2・6H2Oなど、塩、例えば相変化温度が140℃であるKNO3-NaNO2-NaNO3、相変化温度が222℃であるNaNO3-KNO3など、または金属、例えば相変化温度が232℃であるSnなどとすることができる。
かなりの温度差を有する相変化材料MCP1およびMCP2の対が、好ましくは選択されることになり、そのことは、発生する電力にとって有利となる。
2 熱電素子
4 相変化材料を含む第1の要素
6 相変化材料を含む第2の要素
8 熱電素子の面
10 熱電素子の面
12 筐体
12.1 面8と接触している面
14 筐体
14.1 面10と接触している面
15 熱源、ホットソース
16 熱的短絡手段
17 断熱材
18 外側部品
18.1 平板
19 筐体の外壁
20 内側部品
22 フィン
24 空洞
26 ダクト
28 2つの相変化材料間の体積
30 液体
32 流体回路

Claims (15)

  1. 少なくとも1つの熱電素子(2)と、異なる相変化温度(Tf1、Tf2)を有する2つの相変化材料(MCP1、MCP2)とを備える熱電発電装置であって、前記少なくとも1つの熱電素子(2)が、相対する2つの主要面(8、10)を有し、前記面(8、10)のそれぞれが、加熱または冷却段階の間、前記熱電素子(2)が前記2つの相変化材料(MCP1、MCP2)によって課せられる温度勾配だけにさらされるように、前記相変化材料(MCP1、MCP2)の1つによって覆われる、熱電発電装置。
  2. 前記相変化材料(MCP1、MCP2)を収容する複数の筐体を備え、各筐体が、第1および第2の部品(18、20)を有し、前記第1の部品(18)は平板(18.1)を備え、該平板(18.1)の1つの面に突出フィン(22)が取り付けられ、前記第2の部品(20)は平板(20.1)を備え、該平板(20.1)の一方の面が前記熱電素子(2)と接触し、前記平板(20.1)の他方の面に突出フィン(22)が取り付けられ、前記第1の部品(18)および第2の部品(20)が、前記フィン(22)が互いに貫通し合って、前記相変化材料(MCP1、MCP2)が存在する空洞(24)を形成するように、互いに向かい合って組み込まれる、請求項1に記載の熱電発電装置。
  3. 前記筐体のそれぞれの少なくとも一部における前記相変化材料の厚さが、下記の数式（１）で表わされるメルトフロント距離程度であり、
    Figure 2013531458
     ただしkは、前記相変化材料の熱伝導であり、Lは、前記相変化材料の融解潜熱であり、ΔTは、前記フィンの壁の温度と前記相変化材料の前記相変化温度との間の温度差であり、tは、時間である、請求項2に記載の熱電発電装置。
  4. 前記2つの相変化材料(MCP1、MCP2)を直接接触させるための手段(16)を含む、請求項1から3のうちのいずれか一項に記載の熱電発電装置。
  5. 前記2つの相変化材料を直接接触させた状態にする前記手段(16)が、前記第1の相変化材料(MCP1)が中に存在する筐体と前記第2の相変化材料(MCP2)が中に存在する筐体を接続する少なくとも1つのダクト(26)を備え、前記ダクト(26)が、前記第1の相変化材料および前記第2の相変化材料によって部分的に満たされる、請求項4に記載の熱電発電装置。
  6. 前記ダクト(26)の横断寸法が、下記の数式（２）で表わされるメルトフロント距離以下であり、
    Figure 2013531458
     ただしkは、前記相変化材料の熱伝導であり、Lは、前記相変化材料の融解潜熱であり、ΔTは、前記ダクトの壁の温度と前記相変化材料の前記相変化温度との間の温度差であり、tは、時間である、請求項5に記載の熱電発電装置。
  7. 少なくともある体積の液体(30)が、前記ダクト内で前記第1の相変化材料と第2の相変化材料とを隔てる、請求項5または6に記載の熱電発電装置。
  8. 前記相変化材料(MCP1、MCP2)を収容する複数の筐体を含み、より高い相変化温度(Tf1)を有する前記相変化材料(MCP1)を収容する前記筐体が、厚さが前記メルトフロント距離よりも大きい相変化材料の領域を含む、請求項1から7のうちのいずれか一項に記載の熱電発電装置。
  9. 2つのフィン(22)間の距離が、局所的に前記メルトフロント距離よりも大きい、請求項2との組合せで請求項8に記載の熱電発電装置。
  10. 前記筐体が、相変化材料(MCP1)を収容する追加されたタンクを含み、前記タンクの横断寸法が、前記メルトフロント距離よりも大きい、請求項8に記載の熱電発電装置。
  11. 前記相変化材料(MCP1、MCP2)および前記少なくとも1つの熱電素子(2)によって形成されるスタックを通って熱流束を案内するための断熱手段(17)によって囲まれる、請求項1から10のうちのいずれか一項に記載の熱電発電装置。
  12. 請求項1から11のうちのいずれか一項に記載の熱電発電装置および熱源(15)を備える電気発生システム。
  13. 前記熱源(15)が、より高い相変化温度(Tf1)を有する前記相変化材料(MCP1)を収容する前記筐体の側に配置される、請求項12に記載の電気発生システム。
  14. 熱伝達流体を収容する、閉じた流体回路(32)を備え、前記回路が、前記第1および第2の相変化材料(MCP1、MCP2)と熱交換することができると共に前記熱源(15)を横断し、前記熱源(15)が、前記熱伝達流体の流れの方向において、より低い相変化温度(Tf2)を有する前記相変化材料(MCP2)の下流側に位置すると共により高い相変化温度(Tf1)を有する前記相変化材料(MCP1)の上流側に位置し、前記熱伝達流体が、前記より低い相変化温度(Tf2)を有する前記相変化材料(MCP2)と熱交換するとき、その温度が、少なくとも前記材料(MCP2)の前記相変化温度(Tf2)に等しく、前記熱伝達流体が、前記より高い相変化温度(Tf1)を有する前記相変化材料(MCP1)と熱交換するとき、その温度が、少なくとも前記材料(MCP1)の前記相変化温度(Tf1)に等しい、請求項12に記載の電気発生システム。
  15. 前記熱源(15)が、少なくとも1つの集積回路によって形成される、請求項12、13または14に記載の電気発生システム。
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