JP2017063091A - 熱電変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】接触熱抵抗低減のための加圧機構の削除、および熱電変換モジュールの酸化による劣化防止が可能な熱電変換システムを提供する。【解決手段】加熱ダクト１０と冷却ダクト２０との間に熱電変換モジュール３０を設置してなる積層構造体４０を、可撓性を有する気密ケース５０内に収容して気密的に封止し、気密ケース５０内を真空または減圧雰囲気とする。加熱ダクト１０と冷却ダクト２０は気密ケース５０によって熱電変換モジュール３０に対し加圧されて密着し、接触熱抵抗の低減が図られる。【選択図】図２

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して発電する熱電変換システムに関する。

従来の熱電変換モジュールの強度および耐久性を改善し、いかなる雰囲気でも使用可能とするために、気密ケース入り熱電変換モジュール（特許文献１）および水冷パネルを内蔵した気密ケース入りモジュール（特許文献２）が発明されている。また、これらの特徴を引き継ぎ、複数の熱電変換モジュールを封入可能な大型の気密ケース入りモジュールがある（特許文献３）。しかし、これらの発明では、収容する熱電変換モジュールは１個ないし数個程度にとどまり、自動車用などさらに大型化に適した熱電変換システム用としてはふさわしくない現状である。

従来の自動車用熱電変換システムとしては、図９に示すように、排気ガスＧを流す加熱ダクト１１０と冷却水Ｗを流す冷却ダクト１２０との間に熱電変換モジュール１３０を挟み、両ダクト１１０，１２０をバネ１８０などの加圧機構で押さえつけて、熱電変換モジュール１３０に温度差を与える方式（非特許文献１）が一般的である。本構造では加圧機構には頑丈な構造が要求され、そのための重量やスペースが大きいことが問題である。また、本構成では熱電変換モジュールは高温で大気に触れるのみならず、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。

自動車用など大型化に適した熱電変換システムとしては上記の他に、気密ケース入り熱電変換モジュールの原理を基本とする構成（特許文献４）もある。しかし本構造では組み立ての際に、加熱ダクトと薄肉冷却ダクトの狭い隙間に多数の熱電変換モジュールを挿入する方法に工夫を要する点が課題である。

特開２００６−０４９８７２号公報 国際公開公報ＷＯ２０１００８４７１８ 特開２０１１−２３８６９３号公報 特開２０１３−１６５２４０号公報

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.

本発明の熱電変換システムは上記事情に鑑みてなされたものであり、以下を目的としている。
（１）接触熱抵抗低減のための加圧機構を削除する。
（２）熱電変換モジュールの酸化による劣化を防ぐ。
（３）多数のモジュールを一つの気密ケースに封入することにより、大幅なコスト低減を図る。
（４）気密ケース内への熱電変換モジュールの設置を容易にする。

本発明は、加熱ダクトと、冷却ダクトと、これら加熱ダクトと冷却ダクトとの間に設置された熱電変換モジュールとを備えた積層構造体を有し、前記加熱ダクトと前記冷却ダクトとによって前記熱電変換モジュールに温度差が付与されて発電する熱電変換システムにおいて、可撓性を有する気密ケース内に前記積層構造体が収容されるとともに、本気密ケースを加熱ダクト接続配管、冷却ダクト接続配管および電極が貫通し、各貫通部をシールすることで気密を保持できる構造とし、該気密ケース内を真空または減圧雰囲気として該気密ケースの内外に圧力差を生じさせることにより、前記加熱ダクトと前記冷却ダクトとが該気密ケースによって前記熱電変換モジュールに対し加圧されることを特徴とする。

本発明によれば、気密ケースの内外に生じた圧力差により、加熱ダクトと冷却ダクトは気密ケースによって熱電変換モジュールに対し加圧され熱電変換モジュールに密着し、接触熱抵抗低減が図られる。その結果、加熱ダクトおよび冷却ダクトを熱電変換モジュールに密着させる加圧機構が不要となる。また、気密ケース内を真空または減圧雰囲気とするため、熱電変換モジュールの酸化による劣化を防ぐことができる。

本発明は、前記加熱ダクトが常温よりも高温の高温媒体を熱源とし、該加熱ダクトが前記積層構造体の少なくとも一方の最外層を構成し、該加熱ダクトと前記気密ケースとの間に断熱体が介在されている形態を含む。この形態では、加熱ダクトの高温の熱が断熱体で遮断されて気密ケースに直接伝達せず、熱損失が抑えられる。本発明での高温媒体は例えば５０℃以上の流体であり、例えば自動車の排気ガス（２００℃以上）等が挙げられる。

また、本発明は、前記冷却ダクトが極低温媒体を熱源とされ、該冷却ダクトが前記積層構造体の少なくとも一方の最外層を構成し、該冷却ダクトと前記気密ケースとの間に断熱体が介在されている形態を含む。この形態では、冷却ダクトの低温の熱が断熱体で遮断されて気密ケースに直接伝達せず、熱損失が抑えられる。なお、本発明で言う極低温媒体とは−１０℃以下の流体であり、例えば液化天然ガス（−１６０℃）や液体水素（−２５３℃）等が挙げられる。

また、本発明は、前記冷却ダクトには前記気密ケースを貫通する冷媒配管が接続され、該気密ケースにおける該冷媒配管の貫通部が気密的にシールされている形態を含む。

また、本発明は、前記熱電変換モジュールの発電を前記気密ケース外に取り出す貫通電極が該気密ケースを貫通して設置され、該気密ケースにおける該冷媒配管の貫通部が気密的にシールされている形態を含む。

また、本発明は、前記加熱ダクトと前記熱電変換モジュールとの間、および前記冷却ダクトと前記熱電変換モジュールとの間に、緩衝材が介在されている形態を含む。

本発明によれば、接触熱抵抗低減のための加圧機構を削除することができるとともに、熱電変換モジュールの酸化による劣化を防ぐことができる熱電変換システムが提供されるといった効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る熱電変換システムの（ａ）平面図、（ｂ）側断面図である。 図１のII−II断面図である。 第１実施形態の熱電変換システムの斜視図である。 第１実施形態の熱電変換システムが具備する熱電変換モジュールの斜視図である。 同熱電変換モジュールの側面図である。 第１実施形態の水冷配管および貫通電極の気密構造の変形例が適用された熱電変換システムの一部平面図である。 本発明の第２実施形態の正面断面図である。 本発明の第３実施形態の正面断面図である。 従来の熱電変換システムの一例を示す（ａ）側断面図、（ｂ）正面断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
［１］熱電変換システムの構成（第１実施形態）
図１〜図３は本発明の第１実施形態の熱電変換システム１Ａを示している。この熱電変換システム１Ａは、中央の加熱ダクト１０と、この加熱ダクト１０の図１（ｂ）および図２において上下に配された各冷却ダクト２０との間に複数の熱電変換モジュール３０がそれぞれ設置された積層構造体４０を主体としている。積層構造体４０は、気密ケース５０内に収容されているとともにこの気密ケース５０によって気密的に封止されている。この場合の積層構造体４０の上下の最外層は冷却ダクト２０で構成されている。

加熱ダクト１０は、厚さ３ｍｍ程度の銅製の板材を扁平管状に形成したものである。図１（ａ）に示すように、加熱ダクト１０の長手方向両端部には両側面が端部に向かって収束するテーパ部１１が形成され、それらテーパ部１１の先端に円筒状のガス管接続部１２を有している。両端のガス管接続部１２には、図示せぬガス管が接続される。矢印Ｇに示すように一方側（図１で左側）のガス管接続部１２に接続された図示せぬガス管から自動車のエンジンの排気ガス（高温媒体）が加熱ダクト１０内に導入され、加熱ダクト１０内を流れた排気ガスは他方側のガス管接続部１２からガス管を経て排出される。なお、自動車のエンジンの排気ガス温度は、全負荷運転時では７００〜８００℃程度である。

図２に示すように加熱ダクト１０内には、厚さ０．２ｍｍ程度の銅製の多数のフィン１３が排気ガスの流れ方向と平行に設置され、加熱ダクト１０の上下の内面にロウ付けされている。フィン１３間の隙間は１ｍｍ程度である。

上下の冷却ダクト２０は扁平状のケースで構成される。冷却ダクト２０には、冷却ダクト２０内に連通する一対の水冷配管（冷媒配管）２５が接続されている。冷却ダクト２０内には、図２の矢印Ｗに示すように一方の水冷配管２５から冷却水（低温媒体）が導入され、他方の冷却配管から冷却水が排出されることで、冷却水が流される。水冷配管２５は、図１（ａ）に示すように冷却ダクト２０における排気ガスの下流側の端部であって両側の角部付近にそれぞれ接続されている。

熱電変換モジュール３０は、加熱ダクト１０と冷却ダクト２０とによって温度差が与えられることによって発電するものである。図４および図５に示すように、熱電変換モジュール３０は、マトリクス状に配列され、温度差が与えられることで発電する複数の熱電変換素子３１と、これら熱電変換素子３１を直列に接続する高温側電極３２および低温側電極３３とからなるもので、全体として矩形状に形成されている。なお、図１および図２では熱電変換モジュール３０を簡略化して示しており、また、その配置および数は任意とする。

熱電変換素子３１は、例えば、シリコン−ゲルマニウム系、マグネシウム−シリサイド系、マンガン−シリサイド系、鉄−シリサイド系、ビスマス−テルル系等の、ゼーベック効果により温度差に応じた起電力を発生するものが適宜用いられる。

各電極３２，３３は銅板等からなるもので、熱電変換素子３１はそれら電極３２，３３を介して交互に直列に接続されている。高温側電極３２は、隣接する一対の熱電変換素子３１の上面間に架け渡されて固定され、それら一対の熱電変換素子３１を接続している。また、低温側電極３３は、隣接する一対の熱電変換素子３１の下面間に架け渡されて固定され、それら一対の熱電変換素子３１を接続している。図４に示すように、１つの熱電変換モジュール３０においては、＋（プラス）側および−（マイナス）側の一対のリード線３５Ａ，３５Ｂが低温側の電極３３に接続されている。

加熱ダクト１０の、上側の複数の熱電変換モジュール３０を上側モジュール群、下側の複数の熱電変換モジュール３０を下側モジュール群とすると、上側モジュール群および下側モジュール群は、リード線３５Ａ，３５Ｂを介してそれぞれ直列に接続される。そして、上側モジュール群で発電された電気は、気密ケース５０の上側に設置された２つ（＋側および−側）の貫通電極６０を介して外部に取り出され、下側モジュール群で発電された電気は、気密ケース５０の下側に設置された２つ（＋側および−側）の貫通電極６０を介して外部に取り出される。

なお、上記実施形態の熱電変換モジュール３０の構造は一例であり、熱電変換モジュールとしては、いかなる形態も適用可能である。通常の熱電変換モジュールは両面にセラミックなどの絶縁板を備えるが、絶縁板を片面のみに備え、他の面は電極が露出した片面スケルトン・モジュールも適用可能である。ただしこの場合には、電極が露出した面にはマイカシートやポリイミドなどの電気絶縁シートを介在させる。また、両面の電極が露出した両面スケルトン・モジュールも適用可能である。この場合には、電極が露出した両面にマイカシートやポリイミドなどの電気絶縁シートを介在させる。

気密ケース５０は、加熱ダクト１０の外形に沿った扁平状に形成されており、上下方向に分離する分割ケース５１を溶接して構成される。分割ケース５１は気密ケース５０の半割体であって上下対称の形状を有している。分割ケース５１は、厚さ０．１〜０．２ｍｍ程度のステンレス鋼製でプレス成型によって形成され、可撓性を有している。上下の分割ケース５１は、内側となる凹所側を積層構造体４０に向け、互いの縁部の合わせ面に形成された鍔部５１１どうしを溶接することで気密ケース５０を構成し、気密ケース５０内に積層構造体４０が収容された状態となる。

積層構造体４０を収容した気密ケース５０の、冷却ダクト２０に対向する平坦部分は、冷却ダクト２０に接触するか、あるいは僅かな隙間を空けて近接する。図１に示すように、気密ケース５０の長手方向両端部の上下および両側部分には端部に向かって収束するテーパ部５２が形成され、それらテーパ部５２の先端に円形状の開口５２１が形成されている。それら開口５２１からはガス管接続部１２が突出しており、開口５２１の縁部はガス管接続部１２の根元部分に気密的に溶接されている。

各分割ケース５１には水冷配管２５が貫通する貫通孔がそれぞれ形成され、これら貫通孔の縁部は冷却ダクト２０に溶接されている。これにより水冷配管２５の貫通部分は気密的にシールされている。

また、各分割ケース５１には、貫通電極６０が貫通し、溶接されている。図１に示すように貫通電極６０は冷却ダクト２０よりも排気ガスの上流側（図１で左側）に配置されている。貫通電極６０は、円筒状のスリーブ６１内に電極６２が貫通して固定されたもので、スリーブ６１が分割ケース５１に形成された貫通孔を貫通し、その貫通孔の縁部にスリーブ６１が溶接されている。これにより貫通電極６０の貫通部分は気密的にシールされている。上側および下側の熱電変換モジュール群は、それぞれ気密ケース５０内の空間５０Ａを通る図示せぬ外部接続用リード線を介して貫通電極６０の電極６２に電気的に接続される。

［２］熱電変換システムの発電作用
上記構成からなる熱電変換システム１Ａは、熱電変換モジュール３０が収容された気密ケース５０内の空間５０Ａが真空または減圧雰囲気に保持される。そして、加熱ダクト１０内に自動車の排気ガスが流され、冷却ダクト２０内に冷却水が流される。すると熱電変換モジュール３０の熱電変換素子３１は、片側が加熱ダクト１０により加熱され、かつ、反対側が冷却ダクト２０により冷却される。これにより熱電変換素子３１に温度差が与えられて熱電変換素子３１が発電し、熱電変換システム１Ａが稼働状態となる。発電された電気は、直列に接続された各熱電変換モジュール３０を経て貫通電極６０から取り出される。

［３］気密ケースによる作用効果
本実施形態の熱電変換システム１Ａによれば、気密ケース５０内の空間５０Ａを真空または減圧雰囲気とすることにより気密ケース５０の内外に圧力差が生じ、これによって加熱ダクト１０と冷却ダクト２０は、気密ケース５０によって熱電変換モジュール３０に対し加圧され（最大で１気圧：０．１ＭＰａ＝１ｋｇ／ｃｍ^２）、熱電変換モジュール３０に密着する。その結果、加熱ダクト１０および冷却ダクト２０を熱電変換モジュール３０に密着させる加圧機構が不要となる。加熱ダクト１０と冷却ダクト２０が熱電変換モジュール３０に密着することにより接触熱抵抗が低減し、熱電変換モジュール３０に大きな温度差が与えられて出力の向上が図られる。また、気密ケース５０内を真空または減圧雰囲気とするため、熱電変換モジュール３０の酸化による劣化を防ぐことができる。

［４］緩衝材の装着
上記実施形態では、加熱ダクト１０と熱電変換モジュール３０との間、および冷却ダクト２０と熱電変換モジュール３０との間に、緩衝材をそれぞれ介在させることができる。すなわち緩衝材は、高温側の電極３２と加熱ダクト１０との間、および低温側の電極３３と冷却ダクト２０との間に挟まれる。緩衝材としては、各ダクト２０，３０と熱電変換モジュール３０間の微細な隙間を埋めるクッション性を有するものが好適で、例えば厚さ０．２ｍｍ程度のカーボンシート等が好適に用いられる。

各ダクト２０，３０と熱電変換モジュール３０とは緩衝材を介して密着する状態となるが、緩衝材は、気密ケース５０による加圧作用によって互いの接触面に密着するため、各ダクト２０，３０と熱電変換モジュール３０との実質的な密着性を高めることができる。

表１に、銅ブロック界面にカーボンシートを介在させた場合の接触熱抵抗低減効果を示す。表１は、加圧力が０．４気圧（０．０４ＭＰａ＝０．４ｂａｒ＝０．４ｋｇ／ｃｍ２）でも、カーボンシートを介在させることにより、接触熱抵抗を１／１０以下に低減できることを示している。

［５］第１実施形態の変形例
図６は、上記第１実施形態において水冷配管２５および貫通電極６０の貫通部分のシール構造を変更した例を示している。この場合、水冷配管２５および貫通電極６０は冷却ダクト２０の上流側端部付近に配置されている。図６の二点鎖線は冷却ダクト２０の周縁部の全周にわたる溶接線であり、気密ケース５０がこの溶接線に沿って冷却ダクト２０に電子ビーム溶接等の手段で溶接されている。

この気密シール構造では、水冷配管２５および貫通電極６０が貫通する貫通孔に対してシール構造を施さなくても水冷配管２５および貫通電極６０を囲む溶接線によってシール構造が得られる。なお、熱電変換モジュール群からの上記外部接続用リード線は、この場合冷却ダクト２０内に通されて貫通電極６０に接続され、冷却ダクト２０に該リード線の貫通部分に対するシールが必要となる。

［６］他の実施形態の構造
次いで、本発明の他の実施形態として第２および第３実施形態を説明する。これら実施形態を説明する図面においては、上記第１実施形態と同一構成要素または同一機能を果たす構成要素に同一符合を付し、説明を省略または簡略化する。

［６−１］第２実施形態
図７は、本発明の第２実施形態の熱電変換システム１Ｂを示している。この熱電変換システム１Ｂにおいては、それぞれ１つずつの加熱ダクト１０および冷却ダクト２０の間に複数の熱電変換モジュール３０が設置されて積層構造体４０が構成されている。そして積層構造体４０は、上下の分割ケース５１を合わせて溶接されてなる気密ケース５０内に収容され、気密的に封止されている。この場合の積層構造体４０の上下の最外層は、一方側（上側）が冷却ダクト２０で構成され、他方側（下側）が加熱ダクト１０で構成されている。

貫通電極６０は冷却ダクト２０上に設置され、気密ケース５０を貫通している。気密ケース５０に形成された水冷配管２５と貫通電極６０の各貫通孔においては、それぞれの縁部が冷却ダクト２０に溶接され、気密的にシールされている。この熱電変換システム１Ｂも自動車の排気ガス用であり、加熱ダクト１０に排気ガスが流されて発電する。

この第２実施形態では、図７で下側の加熱ダクト１０と気密ケース５０との間に断熱体７０が設置されている。断熱体７０は、加熱ダクト１０の下面全面を覆うサイズを有している。断熱体７０は、例えばグラスウール等が好適に用いられる。加熱ダクト１０は気密ケース５０から断熱体７０を介して熱電変換モジュール３０に対し加圧される。このように気密ケース５０内において加熱ダクト１０と気密ケース５０との間に断熱体７０を挟んで設置することにより、加熱ダクト１０の高温の熱が断熱体７０で遮断されて気密ケース５０に直接伝達せず、熱損失が抑えられるとともに安全性が向上する。

［６−２］第３実施形態
図８は、本発明の第３実施形態の熱電変換システム１Ｃを示している。この熱電変換システム１Ｃにおいては、中央の冷却ダクト２０と、冷却ダクト２０の図中上下に配された各加熱ダクト１０との間に複数の熱電変換モジュール３０がそれぞれ設置され、さらに各加熱ダクト１０の外側に冷却ダクト２０がそれぞれ配置されるとともに、それら外側の冷却ダクト２０と加熱ダクト１０との間に、複数の熱電変換モジュール３０がそれぞれ設置されて積層構造体４０が構成されている。この場合の積層構造体４０の上下の最外層は冷却ダクト２０で構成されている。そして積層構造体４０は、上下の分割ケース５１を合わせて溶接されてなる気密ケース５０内に収容され、気密的に封止されている。

貫通電極６０は最外層の各冷却ダクト２０に対して設置され、気密ケース５０を貫通している。各熱電変換モジュール３０はこれら貫通電極６０のいずれかに接続されている。中央の冷却ダクト２０には、例えば上下いずれかの冷却ダクト２０を介して冷却水が導入・排出されるように配管がなされている。気密ケース５０に形成された水冷配管２５と貫通電極６０の各貫通孔においては、それぞれの縁部が冷却ダクト２０に溶接され、シールされている。この熱電変換システム１Ｃも自動車の排気ガス用であり、加熱ダクト１０に排気ガスが流されて発電する。

［７］加熱ダクトに流す高温媒体について
上記各実施形態の熱電変換システム１Ａ〜１Ｃは、加熱ダクト１０にエンジンの排気ガスを流す自動車用として説明したが、加熱ダクト１０に流す高温媒体は、例えば工場やゴミ焼却炉等で発生する排熱ガス等も利用することができる。

［８］極低温用に適用する形態
上記実施形態の熱電変換システム１Ａ〜１Ｃは、冷却ダクト２０に−１０℃以下の極低温媒体を流す極低温用に適用することができる。その場合、加熱ダクト１０内には例えば室温程度の水や海水などを流し、冷却ダクト２０内には例えば液化天然ガス（ＬＮＧ：−１６２℃以下）や液体水素（−２５３℃以下）等を流すことで、熱電変換モジュール３０に温度差が付与され発電が行われる。なお、極低温用とする場合、加熱ダクト１０内のフィン１３を省略する場合がある。

極低温用の熱電変換システムにおいては、積層構造体４０の最外層が室温程度の水が流される加熱ダクト１０である場合には、そのままの使用で問題ない。しかし、最外層に冷却ダクト２０がある場合には、その冷却ダクト２０と気密ケース５０との間に断熱体を介在させる。これにより冷却ダクト２０による極低温の熱が断熱体で遮断されて気密ケース５０に直接伝達せず、熱損失が抑えられるとともに安全性が向上する。

本発明は、産業排熱などの高温熱源からの排ガスで加熱する熱電変換システムに適する。また、自動車の排気ガスで加熱する熱電変換システムにも適する。一方、冷熱源への適用としてＬＮＧ気化器用熱電変換システムにも適する。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…熱電変換システム
１０…加熱ダクト
２０…冷却ダクト
２５…水冷配管（冷媒配管）
３０…熱電変換モジュール
４０…積層構造体
５０…気密ケース
６０…貫通電極
７０…断熱体
Ｇ…排気ガス（高温媒体）
Ｗ…冷却水（低温媒体）

Claims (6)

1. 加熱ダクトと、冷却ダクトと、これら加熱ダクトと冷却ダクトとの間に設置された熱電変換モジュールとを備えた積層構造体を有し、前記加熱ダクトと前記冷却ダクトとによって前記熱電変換モジュールに温度差が付与されて発電する熱電変換システムにおいて、
   可撓性を有する気密ケース内に前記積層構造体が収容されるとともに気密的に封止され、該気密ケース内を真空または減圧雰囲気として該気密ケースの内外に圧力差を生じさせることにより、前記加熱ダクトと前記冷却ダクトとが該気密ケースによって前記熱電変換モジュールに対し加圧されることを特徴とする熱電変換システム。
2. 前記加熱ダクトが常温よりも高温の高温媒体を熱源とし、該加熱ダクトが前記積層構造体の少なくとも一方の最外層を構成し、該加熱ダクトと前記気密ケースとの間に断熱体が介在されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換システム。
3. 前記冷却ダクトが極低温媒体を熱源とされ、該冷却ダクトが前記積層構造体の少なくとも一方の最外層を構成し、該冷却ダクトと前記気密ケースとの間に断熱体が介在されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換システム。
4. 前記冷却ダクトには前記気密ケースを貫通する冷媒配管が接続され、該気密ケースにおける該冷媒配管の貫通部が気密的にシールされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電変換システム。
5. 前記熱電変換モジュールの発電を前記気密ケース外に取り出す貫通電極が該気密ケースを貫通して設置され、該気密ケースにおける該冷媒配管の貫通部が気密的にシールされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱電変換システム。
6. 前記加熱ダクトと前記熱電変換モジュールとの間、および前記冷却ダクトと前記熱電変換モジュールとの間に、緩衝材が介在されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱電変換システム。

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