JP2015138792A - Thermoelectric conversion power generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電変換モジュールに温度差を与えて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換式発電装置に関する。 The present invention relates to a thermoelectric power generation apparatus that converts a thermal energy into an electrical energy by giving a temperature difference to a thermoelectric conversion module.
熱電変換素子を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電技術が知られている。熱電変換素子は、離間した部位に温度差を与えることで高温部と低温部との間に電位差を生じさせるといったゼーベック効果を利用したもので、温度差が大きいほど発電量が大きくなる。このような熱電変換素子は、複数を電極によって接合した熱電変換素子モジュールという形態で用いられる。例えば、管体の外面に熱電変換モジュールと冷却部とを積層して管体の内部に加熱流体を導入することで、加熱される管体(高温部)と冷却部(低温部)との間に挟んだ熱電変換モジュールに温度差を生じさせて電気を取り出す構成の熱電変換式発電装置が知られている(特許文献1)。 A power generation technique for converting thermal energy into electrical energy using a thermoelectric conversion element is known. The thermoelectric conversion element uses a Seebeck effect that causes a potential difference between a high temperature part and a low temperature part by giving a temperature difference to a separated part, and the power generation amount increases as the temperature difference increases. Such a thermoelectric conversion element is used in the form of a thermoelectric conversion element module in which a plurality are joined by electrodes. For example, by laminating a thermoelectric conversion module and a cooling part on the outer surface of the pipe body and introducing a heating fluid into the pipe body, the space between the heated pipe body (high temperature part) and the cooling part (low temperature part) 2. Description of the Related Art A thermoelectric conversion power generator having a configuration in which electricity is extracted by causing a temperature difference in a thermoelectric conversion module sandwiched between two is known (Patent Document 1).
上記構成の熱電変換式発電装置にあっては、管体の内面にフィンを接合し、加熱流体の熱をフィンが集熱して管体に伝達することで高温部の温度をより高温化させ、発電効率を向上させている。ところで、高温部と低温部とによって温度差が与えられる熱電変換モジュールの熱電変換素子には熱膨張差による熱応力が生じる。熱電変換素子は高温側の電極を介して管体に接合されているため、熱電変換素子に生じた熱応力は管体に伝わり、管体を変形させようとする。しかし、管体はフィンが接合されていることで剛性が高くなっていることから変形しにくくなっており、このため熱電変換素子は管体から応力を受けることになり、その結果、熱電変換素子に割れや破損が生じる場合があった。 In the thermoelectric conversion power generation device having the above configuration, the fin is joined to the inner surface of the tubular body, the heat of the heating fluid is collected by the fin and transferred to the tubular body, and the temperature of the high temperature part is further increased, Power generation efficiency is improved. By the way, the thermal stress by a thermal expansion difference arises in the thermoelectric conversion element of the thermoelectric conversion module to which a temperature difference is given by a high temperature part and a low temperature part. Since the thermoelectric conversion element is joined to the tubular body via the high temperature side electrode, the thermal stress generated in the thermoelectric conversion element is transmitted to the tubular body and tries to deform the tubular body. However, the tube body is hard to be deformed because the rigidity is increased by the fins being joined, and therefore, the thermoelectric conversion element receives stress from the tube body, and as a result, the thermoelectric conversion element In some cases, cracks or breakage occurred.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その主たる課題は、管体内部のフィンによる発電効率の向上を保持しながら、熱電変換素子にかかる応力を減少させて熱電変換素子の破損を効果的に抑えることができる熱電変換式発電装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and the main problem is that while maintaining the improvement in power generation efficiency by the fins inside the tube body, the stress applied to the thermoelectric conversion element is reduced to effectively damage the thermoelectric conversion element. An object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion power generation device that can be suppressed.
本発明の熱電変換式発電装置は、対向する一方側および他方側の一対の加熱板部を少なくとも備え、該加熱板部を加熱すえる加熱流体が内部に流される管体と、前記加熱板部の外面側に配設される冷却部と、前記加熱板部と前記冷却部との間に配設され、熱電変換素子を有する熱電変換モジュールと、前記管体の内部に配設され、前記加熱流体の熱を前記加熱板部に伝達するフィンと、を備え、前記加熱板部と前記冷却部とによって前記熱電変換モジュールに温度差が与えられることで発電する熱電変換式発電装置において、前記フィンは、前記一対の加熱板部に接合されており、かつ、その接合状態で該一対の加熱板部が変形することを可能とする可撓部を有することを特徴とする。 The thermoelectric conversion power generation device of the present invention includes at least a pair of opposed heating plates on one side and the other side, a tubular body through which a heating fluid that heats the heating plate is flowed, and the heating plate A cooling unit disposed on the outer surface side, a thermoelectric conversion module having a thermoelectric conversion element disposed between the heating plate unit and the cooling unit, and disposed in the tube, the heating fluid In the thermoelectric conversion power generator that generates power when a temperature difference is given to the thermoelectric conversion module by the heating plate portion and the cooling portion, the fin includes: And a flexible portion that is joined to the pair of heating plate portions and allows the pair of heating plate portions to be deformed in the joined state.
本発明では、管体の内部に流される加熱流体によって加熱板部が加熱され、その熱が熱電変換モジュールの内面側(管体側)に伝わって加熱される。一方、冷却部によって熱電変換モジュールの外面側が冷却され、これにより熱電変換モジュールに温度差が生じ、発電する。管体の内部に流される加熱流体の熱はフィンで集熱されて一対の加熱板部に伝わり、加熱板部の高温化が促進され発電効率が向上する。一対の加熱板部に接合されたフィンは加熱板部が変形することを可能とする可撓部を有するため、加熱板部が変形しようとするとフィンの可撓部がそれに追従して変形し、加熱板部は変形可能である。すなわち、フィンが接合されていても加熱板部は剛性が高くなることが抑えられており、したがって熱電変換素子に加わる熱応力に応じて加熱板部は変形し、このため熱電変換素子が加熱板部から受ける応力が従来より減少する。その結果、熱電変換素子の破損が効果的に抑えられる。 In the present invention, the heating plate portion is heated by the heating fluid flowing inside the tube, and the heat is transferred to the inner surface side (tube body side) of the thermoelectric conversion module and heated. On the other hand, the outer surface side of the thermoelectric conversion module is cooled by the cooling unit, thereby generating a temperature difference in the thermoelectric conversion module and generating power. The heat of the heating fluid flowing inside the tube is collected by the fins and transmitted to the pair of heating plate portions, and the heating plate portions are increased in temperature and the power generation efficiency is improved. Since the fin joined to the pair of heating plate portions has a flexible portion that allows the heating plate portion to be deformed, when the heating plate portion is to be deformed, the flexible portion of the fin is deformed following that, The heating plate can be deformed. That is, even if the fins are joined, the heating plate portion is restrained from increasing in rigidity. Therefore, the heating plate portion is deformed in accordance with the thermal stress applied to the thermoelectric conversion element. The stress received from the part is reduced compared to the conventional case. As a result, damage to the thermoelectric conversion element can be effectively suppressed.
本発明は、以下の形態を含む。
前記可撓部は前記フィンが弾性変形する弾性変形部である。また、前記フィンは1枚の板材で構成されている。また、前記フィンはコルゲート板で構成されている。
The present invention includes the following forms.
The flexible part is an elastic deformation part in which the fin is elastically deformed. Further, the fin is composed of a single plate material. Moreover, the said fin is comprised with the corrugated board.
本発明によれば、管体内部のフィンによる発電効率の向上を保持しながら、熱電変換素子にかかる応力を減少させて熱電変換素子の破損を効果的に抑えることができるといった効果を奏する。 According to the present invention, while maintaining improvement in power generation efficiency by the fins inside the tubular body, it is possible to reduce the stress applied to the thermoelectric conversion element and effectively suppress breakage of the thermoelectric conversion element.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
[1]熱電変換式発電装置の構成
図1〜図4は、一実施形態の熱電変換式発電装置(以下、発電装置)1を示しており、図1は全体斜視図、図2は図1のII方向矢視図、図3、図4はそれぞれ図2のIII−III断面図、IV−IV断面図である。この発電装置1は全体が扁平な直方体状(図1、図3、図4でX方向が長手方向)に形成されており、水冷ジャケット(冷却部)3と、水冷ジャケット3内に収納された密閉容器2を備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[1] Configuration of Thermoelectric Conversion Power Generation Device FIGS. 1 to 4 show a thermoelectric conversion power generation device (hereinafter referred to as a power generation device) 1 according to an embodiment. FIG. 1 is an overall perspective view, and FIG. II direction view, FIG. 3 and FIG. 4 are a III-III sectional view and an IV-IV sectional view of FIG. 2, respectively. This
密閉容器2は、扁平管状の筐体20内の中央部に同じく扁平管状の管体25が収納された二重管構造を呈しており、筐体20と管体25との間の空間は減圧空間29とされ、この減圧空間29のX方向両端の開口が封止カバー26で気密的に閉塞されている。水冷ジャケット3は密閉容器2の外形にほぼ沿った扁平管状に形成されたもので、その内部に収納された密閉容器2は、開口側の両端部が水冷ジャケット3の両端開口から突出している。
The sealed
筐体20は、図5に示すように、主体となる剛性部21と、剛性部21に接合される長方形状の薄板22とから構成されている。剛性部21は、長方形状の外枠板部211と外枠板部211内を長手方向(X方向)に分かれた長方形状の2つの孔213に仕切る内枠板部212とを有する一対の枠板210が、上下方向(Z方向)に間隔を空けて互いに平行に対面し、外枠板部211の長手方向に沿った端縁どうしが側板部215で連結され、長手方向の両端部に開口218を形成する開口管部217を有するものである。
As shown in FIG. 5, the
薄板22は、可撓性を有する弾性変形可能な板材によって剛性部21の2つの孔213を覆う大きさの長方形状に形成されたものである。薄板22は、各枠板210の外面の孔213の周囲にろう付け等の接合手段で接合され、これにより2つの孔213は1枚の薄板22で塞がれている。薄板22の材料としては、SUS444等のステンレスあるいはアルミニウム等の耐熱性、耐酸化性を有する金属板が好ましく、その厚さは、例えば0.1mm程度のものが用いられる。
The
筐体20の内部に収納された管体25は、図3および図4に示すように、筐体20の上下の枠板210と平行な上下一対の平板な長方形状の主板部251の長手方向に沿った端縁どうしが筐体20の側板部215と平行な側板部252で連結されたもので、両端開口縁の外面が、筐体20の剛性部21の開口管部217の内面に、断面が内側にへこんだ断面U字状で全体としては長円状の封止カバー26を介して接合されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
管体25の内部253には、加熱流体H(図3および図4参照)が一方の開口から他方の開口へ向かう管路方向に沿って流される。この管体内部253には、加熱流体Hの熱を集熱して管体25に伝えるフィン7が配設されている。
Heated fluid H (see FIGS. 3 and 4) flows through the
フィン7は、図6に示すように、1枚の板材を折り曲げ加工することにより、多数の「V」の字を横にした横V字部71が等間隔の隙間72を空けて並列し、横V字部71の図中上下の端部をつなぎ合わせた略蛇腹状のコルゲート板で構成されている。このフィン7は、横V字部71間の隙間72の両端開口を管体25の両端開口に向けた状態で管体内部253に配設され、上下の端部連結部73を管体25の主板部251にろう付け等の接合手段で接合されることで、管体内部253に固定されている。フィン7の横V字部71間の多数の隙間72は管体内部253の管路方向と平行に延びており、加熱流体Hはこれら隙間72を、主板部251やフィン7に接触しながら通過する。
As shown in FIG. 6, the
フィン7は、可撓性を有し、かつ、弾性変形可能な板材によって形成される。例えば上記薄板22と同様に、SUS444等のステンレスあるいはアルミニウム等の耐熱性、耐酸化性を有し、厚さが例えば0.1mm程度の金属板を用いて作製される。フィン7は、厚さ方向中央の鋭角に屈曲する先端部(可撓部、弾性変形部)74の角度が変化することで撓む弾性変形可能なものであり、このため、管体25の主板部251に接合されている状態では、対向する一対の主板部251が、外面方向あるいは内面方向に撓むように変形することが可能となっている。
The
密閉容器2を構成する筐体20の剛性部21、管体25、封止カバー26は、薄板22と同様の材料が用いられる。密閉容器2の、筐体20の薄板22と管体25の主板部251との間には、熱電変換モジュール4がそれぞれ配設されている。
The same material as that of the
熱電変換モジュール4は、図6に示すように、平面状に並べられた複数の熱電変換素子41の、一方側の面および他方側の面を、長方形状の銅板等の金属板からなる電極42によりジグザグ状に直列に連結して構成されたもので、一方の面側の電極42が管体25の主板部251の外面にろう付け等の接合手段で接合されている。また、他方の面側の電極42は筐体20の薄板22の内面に対向し、薄板22と電極42との間には緩衝材5が挟まれて保持されている。薄板22と緩衝材5、および緩衝材5と電極42はいずれも接合されてはおらず、摺動可能に当接している。また、電極42は管体25および緩衝材5と絶縁されている。
As shown in FIG. 6, the thermoelectric conversion module 4 includes an
緩衝材5は可撓性を有するシート状のものが好適であり、例えば薄いカーボンシート等が用いられる。なお、本実施形態では薄板22と熱電変換モジュール4との間に緩衝材5を挟み込んでいるが、緩衝材5は必要に応じて用いられ、薄板22が熱電変換モジュール4に直接当接する形態も選択され得る。
The
熱電変換モジュール4を構成する熱電変換素子41は、耐熱温度が高い種類が用いられ、例えば、シリコン−ゲルマニウム系、マグネシウム−シリコン系、マンガン−シリコン系、珪化鉄系等が好適に用いられる。熱電変換モジュール4が収納された密閉容器2の減圧空間29は、剛性部21と薄板22とからなる筐体20、管体25および封止カバー26によって気密的に封止される。上記フィン7は、図4に示すように、熱電変換モジュール4に対応する領域の大きさを有し、フィン7の両側に熱電変換モジュール4が配設された状態となっている。
As the
上記密閉容器2は、水冷ジャケット3内に収納されている。図3および図4に示すように、水冷ジャケット3は、両端の開口縁に形成された内側に屈曲する封止枠部31が、密閉容器2における剛性部21の外枠板部211の外面に、ろう付け等の手段で気密的に接合されている。水冷ジャケット3内の空間、すなわち剛性部21と水冷ジャケット3との間に形成される空間が、冷却水が供給されて薄板22を冷却するための冷却空間32となっている。水冷ジャケット3における筐体20の各側板部215に対応する箇所の中央部には、冷却水の導入出口33が設けられている。
The sealed
密閉容器2内には、合計4つの熱電変換モジュール4が収納されているが、これら熱電変換モジュール4は直列に接続されている。そして、図1〜図3で示す+・−の2本のリード線49から外部に電気が取り出される。リード線49は、密閉容器2の側板部215および水冷ジャケット3を貫通して外部に引き出され、側板部215および水冷ジャケット3のリード線貫通孔は気密的に塞ぐ処理がなされている。
A total of four thermoelectric conversion modules 4 are accommodated in the sealed
冷却空間32の熱電変換モジュール4に対応する箇所には、熱交換手段6が薄板22に接合されている。熱交換手段6は、冷却空間32に供給されて流れる冷却水が接触することで薄板22を放熱させて冷却を促進させるもので、薄板22の可撓性を妨げない状態で設けられている。
The heat exchange means 6 is joined to the
熱交換手段6は、薄板22の可撓性を妨げない柔軟性を有するフィン等の熱交換部材からなるものが挙げられる。また、硬いフィン等の熱交換部材であっても、複数の独立した熱交換部材が薄板22に対し点在的に接触して設けられて薄板22の可撓性を妨げないようになされていてもよい。
Examples of the
上記密閉容器2は、所定箇所に形成された図示せぬ減圧封止口から減圧空間29の空気を吸引して減圧空間29を所定圧力(例えば1〜100Pa程度)に減圧し、減圧封止口を溶接するなどして気密的に封止した状態とされる。これにより密閉容器2においては、減圧空間29の圧力が外部の大気よりも低くなるという圧力差が生じ、この圧力差によって、筐体20の薄板22が熱電変換モジュール4側に加圧される力を受ける。
The sealed
[2]発電装置の作用
上記構成からなる発電装置1では、管体内部253に、一方の開口から他方の開口に向けて高温の加熱流体Hを流して管体25を加熱する。また、水冷ジャケット3の一方の導入出口33から冷却水を冷却空間32に導入するとともに他方の導入出口33から冷却水を排出させ、冷却空間32に冷却水を充満させた状態で流すことにより密閉容器2の薄板22を冷却する。
[2] Action of power generator In
管体内部253に流される加熱流体Hの熱は、対向する一対の主板部251を直接加熱し、また、フィン7によって集熱されて各主板部251に伝わり、主板部251の高温化が促進される。加熱された管体25の主板部251の熱は熱電変換モジュール4の内面側に伝わり、熱電変換モジュール4の内面側が加熱される。一方、薄板22は冷却水で冷却される熱交換手段6により冷却が促進される。冷却された薄板22の熱は熱電変換モジュール4の外面側に伝わり、熱電変換モジュール4の外面側が冷却される。これにより、熱電変換モジュール4の熱電変換素子41には、内面側が高温、外面側が低温というように温度差が与えられる。
The heat of the heating fluid H that flows in the
密閉容器2においては上記のように内部の減圧空間29が減圧されて外部と圧力差が生じることにより、筐体20の薄板22が熱電変換モジュール4側に加圧される。これにより、筐体20の薄板22が緩衝材5に加圧されて密着し、緩衝材5は熱電変換モジュール4側に加圧された状態で密着する。
In the
上記のようにして熱電変換モジュール4の外面側と内面側に温度差が与えられることで、熱電変換モジュール4は発電し、リード線49から電気が取り出される。
As described above, a temperature difference is given between the outer surface side and the inner surface side of the thermoelectric conversion module 4, so that the thermoelectric conversion module 4 generates power and electricity is extracted from the
本実施形態の発電装置1は、例えば工場やゴミ焼却炉で発生する排熱ガスや、自動車の排気ガスなどが、上記加熱流体Hとして利用される。
In the
[3]一実施形態の作用効果
上記実施形態の発電装置1においては、温度差が与えられる熱電変換モジュール4の熱電変換素子41には熱膨張差による熱応力が生じ、その熱応力は管体25の主板部251に伝わって主板部251を変形させようとする。ここで、従来ではフィンが接合された管体は剛性が上がって変形しにくくなっており、このため熱電変換素子は管体から応力を受けて割れや破損が生じるという問題があった。
[3] Effects of One Embodiment In the
しかし本実施形態のフィン7は、管体25の主板部251に接合された状態でも、横V字部71の厚さ方向中央の先端部74を中心に上下の平坦部75が互いに離れたり近付いたりするように撓むことで、対向する一対の主板部251が変形することが可能となっている。すなわち、フィン7が接合されていても主板部251は剛性が高くなることが抑えられている。したがって熱電変換素子41に加わる熱応力に応じて主板部251は変形し、このため熱電変換素子41に主板部251から応力はかかりにくくなって従来より減少し、その結果、熱電変換素子が破損するおそれが低減する。
However, in the
[4]他の実施形態
本発明に係るフィンの形状は上記実施形態に限定はされず、加熱板部(上記実施形態では主板部251)に接合された状態で加熱板部が変形することを可能とする可撓部を有するものであれば、いかなる形態のものであってよい。
[4] Other Embodiments The shape of the fin according to the present invention is not limited to the above embodiment, and the heating plate portion is deformed while being joined to the heating plate portion (
例えば図7に示すフィン8のように、断面Ω状の湾曲部(可撓部、弾性変形部)81が上下に交互に形成されたコルゲート板を用いることができる。このフィン8は、湾曲部81の内部の空洞部82が管体内部253の管路方向と平行に延びる状態に配設され、湾曲部81の外面が主板部251に接合されており、湾曲部81およびフィン8と主板部251との間の空間を加熱流体Hが流される。フィン8は湾曲部81が潰れるように撓んで弾性変形し、これにより主板部251は剛性が高くなることが抑えられ、主板部251の変形が可能となっている。
For example, as in the fin 8 shown in FIG. 7, a corrugated plate in which curved portions (flexible portions, elastically deformable portions) 81 having an Ω cross section are alternately formed on the top and bottom can be used. The fin 8 is disposed in a state in which the
1…熱電変換式発電装置、25…管体、251…主板部(加熱板部)、253…管体内部、3…水冷ジャケット(冷却部)、4…熱電変換モジュール、41…熱電変換素子、7,8…フィン、74…先端部(可撓部、弾性変形部)、81…湾曲部(可撓部、弾性変形部)、H…加熱流体。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記加熱板部の外面側に配設される冷却部と、
前記加熱板部と前記冷却部との間に配設され、熱電変換素子を有する熱電変換モジュールと、
前記管体の内部に配設され、前記加熱流体の熱を前記加熱板部に伝達するフィンと、
を備え、
前記加熱板部と前記冷却部とによって前記熱電変換モジュールに温度差が与えられることで発電する熱電変換式発電装置において、
前記フィンは、前記一対の加熱板部に接合されており、かつ、その接合状態で該一対の加熱板部が変形することを可能とする可撓部を有すること
を特徴とする熱電変換式発電装置。 A pipe body that includes at least a pair of opposed heating plate portions on one side and the other side, and in which a heating fluid that heats the heating plate portion is caused to flow;
A cooling part disposed on the outer surface side of the heating plate part;
A thermoelectric conversion module disposed between the heating plate portion and the cooling portion and having a thermoelectric conversion element;
A fin disposed in the tube and transmitting heat of the heating fluid to the heating plate;
With
In the thermoelectric conversion power generator that generates power by giving a temperature difference to the thermoelectric conversion module by the heating plate part and the cooling part,
The fin is joined to the pair of heating plate portions, and has a flexible portion that allows the pair of heating plate portions to be deformed in the joined state. apparatus.
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