JP2018182266A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】輻射熱によって受熱板が加熱されても、熱電発電モジュールの外周端部に損傷の生じることのない熱電発電装置を提供すること。【解決手段】熱電発電装置は、輻射熱を受ける受熱面２Ａを有する受熱板２と、受熱面２Ａとは反対側の面に、受熱板２の面積よりも小さな面積に配置される熱電発電モジュールと、熱電発電モジュールの受熱板２が配置される面とは反対側の面に配置される冷却板と、受熱板２に設けられ、受熱面２Ａを均熱化する均熱化手段２２と、を備えている。【選択図】図７

Description

本発明は、熱電発電装置に関する。

従来、受熱板と冷却板との間に熱電発電モジュールを介装して構成された熱電発電装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
このような熱電発電装置では、受熱板で輻射熱を受け、冷却板中に冷却水を循環させることにより、受熱板および冷却板の間に温度差を生じさせ、この温度差により熱電発電モジュールが発電を行う。
ここで、従来の受熱板は、輻射熱の吸収率を向上するために、受熱面全体に黒色塗装等が施されている。

特開２０１６−９７８７号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の技術では、封止構造等の関係から、平面視で受熱板の大きさに対して、熱電発電モジュールの大きさの方が小さく設定されており、受熱板の端部が過熱されてしまい、熱電発電モジュールの端部の熱応力が大きくなり、端部の熱電発電素子の半田接合部が剥離したり、断線するという課題がある。

本発明の目的は、輻射熱によって受熱板が加熱されても、熱電発電モジュールの外周端部に損傷の生じることのない熱電発電装置を提供することにある。

本発明の熱電発電装置は、輻射熱を受ける受熱面を有する受熱板と、前記受熱面とは反対側の面に、前記受熱板の面積よりも小さな面積に配置される熱電発電モジュールと、前記熱電発電モジュールの前記受熱板が配置される面とは反対側の面に配置される冷却板と、前記受熱板に設けられ、前記受熱面を均熱化する均熱化手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、均熱化手段を備えていることにより、熱電発電モジュールの外周端部が輻射熱によって必要以上に加熱されることがない。したがって、熱電発電モジュールの端部の熱応力が大きくならないので、熱電発電モジュールの外周端部の熱電素子の接合部の過熱による損傷を防止することができる。

本発明の実施形態に係る熱電発電装置の構造を示す分解斜視図。 前記実施形態における熱電発電装置の構造を示す断面図。 前記実施形態における熱電発電モジュールの構造を示す分解斜視図。 前記実施形態における熱電発電モジュールの構造を示す要部分解斜視図。 従来の受熱板の受熱面の温度分布を示す平面図。 従来の熱電発電モジュールに生じた損傷部を示す平面図。 前記実施形態における受熱板の構造を示す平面図。 前記実施形態における均熱化手段の面積比と受熱板の温度ばらつきの変化を示すグラフ。 従来の受熱板の受熱面の温度分布を示す平面図。 前記実施形態の受熱板の受熱面の温度分布を示す平面図。 前記実施形態および従来の受熱板による平均温度と発電出力の関係を示すグラフ。 実施形態の変形となる均熱化手段の構造を示す側面図。 実施形態の変形となる均熱化手段の構造を示す側面図。 実施形態の変形となる均熱化手段の構造を示す平面図。 実施形態の変形となる均熱化手段の構造を示す平面図。 実施形態の変形となる均熱化手段の構造を示す側面図。

［１］熱電発電装置１の構成
図１には、熱電発電装置１の分解斜視図、図２には、熱電発電装置１の断面図が示されている。熱電発電装置１は、受熱板２、冷却板３、熱電発電モジュール４、およびカーボンシート５を備える。熱電発電装置１は、受熱板２により輻射熱を受け、冷却板３との温度差により、熱電発電モジュール４で熱エネルギを電気エネルギに変換する。

受熱板２は、たとえば鉄、銅、アルミニウム製の矩形板状体から構成され、下面側が受熱面２Ａとされ、輻射熱により約２８０℃程度に加熱される。図２に示すように、受熱板２の受熱面２Ａとは反対側の面には、複数の雌ねじ孔２Ｂ、２Ｃが形成されている。
冷却板３は、たとえばアルミニウム製の矩形厚板板状体から構成され、図２に示すように、内部に冷却水等の冷却液が流通する冷却回路３Ａが形成されている。冷却回路３Ａ内に冷却水が流通すると、冷却板３は、全体が２０℃から４０℃程度に冷却維持される。
冷却回路３Ａには、冷却水の供給管路３Ｂ、および戻し管路３Ｃが接続され、供給管路３Ｂから冷却水が供給され、冷却回路３Ａで冷却板３の冷却を行った後、戻し管路３Ｃから排出される。
また、冷却板３には、表裏面を貫通する孔３Ｄが略中央に５箇所形成され、外周端部に孔３Ｅが４箇所形成されている。

熱電発電モジュール４は、受熱板２および冷却板３の間に配置されている。熱電発電モジュール４は、図３に示すように、高温側基板４Ａおよび低温側基板４Ｂを備えている。高温側基板４Ａおよび低温側基板４Ｂは、ポリイミド製のフィルムの表面に電極が形成された構成であり、電極面４Ｃ、４Ｄ（図２参照）を形成した面を対向させて配置される。

高温側基板４Ａおよび低温側基板４Ｂの間には、図２および図４に示すように、複数のＰ型熱電素子４Ｐ、Ｎ型熱電素子４Ｎが交互に配列されている。これらの熱電素子４Ｐ、４Ｎは、高温側基板４Ａの電極面４Ｃと、低温側基板４Ｂの電極面４Ｄとを電気的に導通させている。高温側基板４Ａの電極面４Ｃおよび低温側基板４Ｂの電極面４Ｄと、熱電素子４Ｐ、４Ｎの端面とは、半田によって接合されている。
高温側基板４Ａおよび低温側基板４Ｂの中央には、図３に示すように、孔４Ｅが５箇所形成され、外周端部には、孔４Ｆが４箇所形成されている。各孔４Ｅの周りには、リング状の内部封止枠６が設けられ、低温側基板４Ｂの周囲には、矩形状の外周封止枠７が設けられている。内部封止枠６および外周封止枠７は、鉄、銅、アルミニウム等の金属材料から構成されている。

カーボンシート５は、図１に示すように、受熱板２および高温側基板４Ａと、冷却板３および低温側基板４Ｂとの間にそれぞれ介装され、受熱板２で受熱した熱を高温側基板４Ａに伝熱し、低温側基板４Ｂの熱を冷却板３に伝熱する伝熱層として機能する。
カーボンシート５は、外周封止枠７の内側を外周とする矩形板状のシート材として構成され、外周封止枠７に対応した高温側基板４Ａと、非接触の状態で維持される。つまり、外周封止枠７に対応した高温側基板４Ａとの間の空気層は、断熱層として機能する。
また、カーボンシート５の中央部分には、内部封止枠６の配置に応じて孔が５箇所形成されている。各孔は、リング状の内部封止枠６の外形よりも大きくなっていて、内部封止枠６に対応した高温側基板４Ａと、非接触の状態で維持され、この間の空気層が断熱層として機能する。

このような構成の受熱板２、冷却板３、熱電発電モジュール４、およびカーボンシート５は、５つの第１締結部材８および８つの第２締結部材９によって一体化されている。
第１締結部材８は、図２に示すように、ボルト８Ａ、受け部材８Ｂおよびコイルばね８Ｃを備える。ボルト８Ａは、冷却板３の孔３Ｄ、熱電発電モジュールの孔４Ｅ、およびカーボンシート５の孔に順次挿入され、受熱板２の雌ねじ孔２Ｂに螺合する。
受け部材８Ｂは、ボルト８Ａに挿通される金属製の筒状体として構成され、一端にフランジが形成されている。
コイルばね８Ｃは、受け部材８Ｂの外周部分に挿通され、ボルト８Ａが受熱板２の雌ねじ孔２Ｂに螺合したときに、受け部材８Ｂのフランジによって挿入方向に圧縮され、冷却板３を受熱板２側に付勢する。
第２締結部材９は、受熱板２および冷却板３を外周端部で締結する部材であり、第１締結部材８と略同様の構成とされ、ボルト９Ａ、受け部材９Ｂ、およびコイルばね９Ｃを備える。

［２］従来の受熱板２の温度分布
図５には、輻射熱によって均一に加熱された受熱板２の温度分布が示されている。なお、受熱板２の受熱面２Ａは、全面に黒色塗装が施されている。図５からわかるように、受熱面２Ａは、伝熱を積極的に行う熱電発電モジュール４が配置された略中央部分が最も低温となり、周囲に向かうにしたがって、温度が高くなっており、受熱面２Ａの矩形の角隅部分が最も高温となっている。
このような温度ばらつきがあると、受熱板２の外周端部の温度が先に上昇し、図６に示すように、熱電発電モジュール４の端部の熱電素子４Ｐ、４Ｎに損傷が生じる。これは、熱電素子４Ｐ、４Ｎと、高温側基板４Ａとを接合する半田部分が剥離し、断線してしまうために生じる。

［３］均熱化手段の構成
そこで、本実施形態では、図７に示すように、受熱板２の中央領域２１を黒色塗装して、輻射熱吸収率を高くし、外周領域２２を、塗装を施さないアルマイト色等として、輻射熱吸収率を低くすることにより、受熱面２Ａの均熱化を図った。つまり、受熱板２の中央領域２１と、外周領域２２との輻射熱の吸収率分布を制御することにより、均熱化手段を構成している。
黒色塗装された中央領域２１の輻射熱の吸収率は９６％であり、アルマイト色の外周領域２２の輻射熱の吸収率は、１５％から２０％である。なお、中央部の中央領域２１の形状は任意であり、正方形の受熱板２に対して、長方形状や、円形状等任意に形成することができる。また、中央領域２１は黒色塗装ではなく、他の色で塗装してもよく、外周領域２２も、白色塗装等を施してもよい。

また、中央領域２１を黒色塗装、外周領域２２をアルマイト色とした場合、熱電発電モジュール４の面積に対する中央領域２１の面積比は、外周領域２２と中央領域２１の温度ばらつきを１０℃以内とするのが好ましい。
具体的に測定したところ、熱電発電モジュール４に対する黒色塗装された中央領域２１の面積比は、表１および図８のようになった。なお、熱電発電モジュール４の面積は、４８４００ｍｍ^２（２２０ｍｍ×２２０ｍｍ）、受熱板２の面積は、８０５５６ｍｍ^２（２８４ｍｍ×２８４ｍｍ）であった。
表１および図８からわかるように、温度差を１０℃未満とすることができるのは、面積比で０．５３以上、０．８４以下である。

また、耐久性上、受熱板２の温度は２９０℃が上限温度であるため、受熱面２Ａの全面に黒色塗装を施した場合、図９に示すように、外周領域２２の最高温度が２９０℃のときに、中央領域２１の最低温度は２５７℃であり、受熱板２の平均温度は、２７３．５℃であった。
これに対して、１７５ｍｍ□の中央領域２１に黒色塗装を施し、外周領域２２を地金色であるアルマイト色とした場合、図１０に示すように、外周領域２２の温度が最高温度２９０℃のときに、中央領域２１の最低温度は２８２℃であり、受熱板２の平均温度は２８６℃であった。

このことは、受熱板２の平均温度を上昇させることができることを意味し、その分、受熱板２と、冷却板３との温度差を大きくすることができることとなる。したがって、受熱板２と冷却板３との温度差を大きくすることにより、熱電発電モジュール４の発電出力を向上させることができることとなる。具体的には、受熱板２を輻射熱源に接近させることにより、受熱板２の全体の温度を上昇させる。
図９に示される受熱板２の平均温度が２７３．５℃の場合、図１１の点Ｐ１に示すように、熱電発電モジュール４による発電出力が２５０Ｗに止まる。
一方、図１０に示される受熱板２の平均温度が２８６℃の場合、図１１の点Ｐ２に示すように、熱電発電モジュール４による発電出力が２８０Ｗに向上する。

本実施形態によれば、熱電発電装置１が均熱化手段を備えていることにより、熱電発電モジュール４の外周端部が輻射熱によって必要以上に加熱されることがない。したがって、熱電発電モジュールの端部の熱応力が大きくならないので、熱電発電モジュール４の外周端部の熱電素子４Ｐ、４Ｎと、高温側基板４Ａの電極面４Ｃ接合部の過熱による損傷を防止することができる。
また、熱電発電装置１が均熱化手段を備えていることにより、受熱板２の平均温度を上げることができるため、熱電発電モジュール４による発電出力を向上することができる。

［４］実施形態の変形
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、受熱板２の受熱面２Ａの中央領域２１を黒色塗装とし、外周領域２２を地金の色であるアルマイト色とすることにより、均熱化手段を構成していたが、本発明はこれに限られない。

たとえば、図１２に示すように、受熱板１０の受熱面１０Ａにおいて、中央領域１１の輻射熱の入射角を０ｄｅｇとなるようにし、外周領域１２の入射角をそれ以上の角度となるように、受熱面１０Ａの形状自体を変更してもよい。この場合、入射角の大きな外周領域の方が、輻射熱の入射角が大きくなるため、輻射熱を吸収しにくくなり、前述した実施形態と同様に、均熱化を図ることができる。

また、前記実施形態では、受熱板２の受熱面２Ａの輻射熱の受熱を制御することにより、均熱化手段を構成していたが、本発明はこれに限られない。
たとえば、図１３に示すように受熱板１３の裏面の外周領域１４に放熱フィン１５等を形成し、放熱効率を向上させることにより、均熱化手段を構成してもよい。
さらに、前記実施形態では、中央領域２１を黒色塗装し、外周領域２２をアルマイト色としていたが、本発明はこれに限られない。たとえば、図１４に示すように、受熱板１６の矩形の角隅部に反射塗装を施したり、反射板を接合した反射領域１６Ａを形成してもよい。

また、前記実施形態では、中央領域２１を黒色塗装し、外周領域２２をアルマイト色としていたが、本発明は、これに限られない。たとえば、図１５に示すように、受熱板１７の中央領域２１および外周領域２２の間に中間色、たとえば、茶色等の塗装を施した中間領域１７Ａを形成してもよい。
さらに、前記実施形態では、中央領域２１を黒色塗装面としていたが、本発明は、これに限られない。たとえば、図１６に示すように、受熱板１８の中央領域１８Ａに、テクスチャ加工等の凹凸加工を形成してもよい。
その他、本発明は、本発明の目的を達成できる範囲で、他の構造等を採用してもよい。

１…熱電発電装置、２…受熱板、２Ａ…受熱面、２Ｂ…雌ねじ孔、２Ｃ…雌ねじ孔、３…冷却板、３Ａ…冷却回路、３Ｂ…供給管路、３Ｃ…戻し管路、３Ｄ…孔、３Ｅ…孔、４…熱電発電モジュール、４Ａ…高温側基板、４Ｂ…低温側基板、４Ｃ…電極面、４Ｄ…電極面、４Ｅ…孔、４Ｆ…孔、４Ｎ…Ｎ型熱電素子、４Ｐ…Ｐ型熱電素子、５…カーボンシート、６…内部封止枠、７…外周封止枠、８…第１締結部材、８Ａ…ボルト、８Ｂ…受け部材、８Ｃ…コイルばね、９…第２締結部材、９Ａ…ボルト、９Ｂ…受け部材、９Ｃ…コイルばね、１０…受熱板、１０Ａ…受熱面、１１…中央領域、１２…外周領域、１３…受熱板、１４…外周領域、１５…放熱フィン、１６…受熱板、１６Ａ…反射領域、１７…受熱板、１７Ａ…中間領域、１８…受熱板、１８Ａ…中央領域、２１…中央領域、２２…外周領域。

Claims (4)

1. 輻射熱を受ける受熱面を有する受熱板と、
   前記受熱面とは反対側の面に、前記受熱板の面積よりも小さな面積に配置される熱電発電モジュールと、
   前記熱電発電モジュールの前記受熱板が配置される面とは反対側の面に配置される冷却板と、
   前記受熱板に設けられ、前記受熱面を均熱化する均熱化手段と、
   を備えていることを特徴とする熱電発電装置。
2. 請求項１に記載の熱電発電装置において、
   前記均熱化手段は、前記受熱面の輻射熱の吸収率分布を制御することにより、前記受熱板を均熱化することを特徴とする熱電発電装置。
3. 請求項２に記載の熱電発電装置において、
   前記均熱化手段は、前記熱電発電モジュールの配置に応じた受熱面の輻射熱吸収率よりも、前記熱電発電モジュールが配置されていない受熱面の輻射熱吸収率が低くなっていることを特徴とする熱電発電装置。
4. 請求項２に記載の熱電発電装置において、
   前記均熱化手段は、前記熱電発電モジュールの配置に応じた受熱面における輻射熱の入射角よりも、前記熱電発電モジュールが配置されていない受熱面における輻射熱の入射角が大きくなるように形成されていることを特徴とする熱電発電装置。

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