JP2019198165A - 熱電発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】フレキシブル基板に複数の熱電素子が実装された熱電変換モジュールが排熱パイプに装着された熱電発電システムにおいて、簡単な構成で、かつ、効率よく熱電変換モジュールの排熱パイプと反対側の冷却が可能な熱電発電システムを提供する。【解決手段】フレキシブル基板に複数の熱電素子が実装された熱電変換モジュール１５が排熱パイプ１１に装着された熱電発電システムであって、熱電変換モジュールの外側に、排熱パイプの外周を覆う放熱機構（放熱フィン１２等）が設けられ、排熱パイプの外周に亘って、放熱機構の近傍に、冷却媒体流路１８が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、熱（温度差）と電気とを相互変換する熱電変換モジュールを使用した熱電発電システムに関する。

現代の産業社会においては、特に工場、発電所、製鉄所、自動車や、ビル、照明、船舶などを中心に、全一次エネルギー供給量の６０％以上の膨大な廃熱が地球環境に排出されており、その７５％以上が２５０℃以下の排水や排気と推定されている。

熱電発電は、これらの無駄に捨てられる熱から電気を起こすため、地球環境の保護に極めて有用である。これらの廃熱は、一般的に円筒状の排気パイプや排水パイプ等の排熱パイプを通じて輸送される。そのため、これらの廃熱を、熱電発電の熱源として簡便に、かつ効率よく利用するためには、排熱パイプの湾曲した外表面に密着させることができるフレキシブルな熱電変換モジュールが必要となる。

このようなフレキシブルな熱電変換モジュールを用いて熱電発電システムを構成する場合、熱電変換モジュールにできる限り温度差をつけるために、熱源の反対側を冷却する必要がある。

その簡便な方法として、特許文献１には、図９に示すように、複数の熱電素子を実装した熱電変換モジュール１１０を排熱パイプ１００に装着し、熱電変換モジュール１１０の外側に、排熱パイプ１００の長手方向に沿って、フレキシブル熱伝導基板１２０に取り付けられた複数の放熱フィン１３０を設けた熱電発電システムが開示されている。放熱フィン１３０には、矢印Ｗの方向から、送風ファンで風が送られることにより、熱電変換モジュール１１０の排熱パイプ１００と反対側が冷却される。

特開２０１６−２０７９９５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された冷却方法は、単に、送風により放熱フィンを強制冷却することしか開示されておらず、効率的な冷却には至っておらず、所望の発電出力が得られないという課題が残っている。

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、フレキシブル基板に複数の熱電素子が実装された熱電変換モジュールが排熱パイプに装着された熱電発電システムにおいて、簡単な構成で、かつ、効率よく熱電変換モジュールの排熱パイプと反対側の冷却が可能な熱電発電システムを提供することにある。

本発明に係る熱電発電システムは、フレキシブル基板に複数の熱電素子が実装された熱電変換モジュールが排熱パイプに装着された熱電発電システムであって、熱電変換モジュールの外側に、排熱パイプの外周を覆う放熱機構が設けられ、排熱パイプの外周に亘って、放熱機構の近傍に、冷却媒体流路が形成されている。

ある好適な実施形態において、上記放熱機構は、熱電変換モジュールの外側に、排熱パイプの外周を覆って装着され、排熱パイプの長手方向に沿って延びる複数の放熱フィンで構成されており、少なくとも放熱フィンを囲むように、放熱フィンの外側に、両端部が開口された円筒管が配置され、該円筒管内に、排熱パイプの外周に亘って、冷却媒体流路が形成されている。

ある好適な実施形態において、上記円筒管内に、排熱パイプの長手方向に沿った気流が発生し、該気流によって、放熱フィンが冷却される。

ある好適な実施形態において、上記円筒管の一方の端部に、外気を円筒管内に導入する集風フードが設けられている。

ある好適な実施形態において、上記円筒管の一方の端部に、円筒管内の空気を、円筒管外に排出するファンが設けられている。

ある好適な実施形態において、上記放熱機構の一方の端部側に、排熱パイプを取り囲むように、複数のノズルが配置されており、複数のノズルから、放熱機構に向かって、排熱パイプの長手方向に沿った気流を放出することにより、排熱パイプの外周に亘って、冷却媒体流路が形成されている。

ある好適な実施形態において、上記放熱機構は、熱電変換モジュールの外側に、排熱パイプの外周を覆って装着されたポーラス状または網目状の膜で構成されており、膜に湿潤させた冷却液を蒸発させることにより、排熱パイプの外周に亘って、冷却媒体流路が形成されている。

本発明によれば、フレキシブル基板に複数の熱電素子が実装された熱電変換モジュールが排熱パイプに装着された熱電発電システムにおいて、簡単な構成で、かつ、効率よく熱電変換モジュールの排熱パイプと反対側の冷却が可能な熱電発電システムを提供することができる。

本発明の一実施形態における熱電発電システムの構成を模式的に示した斜視図である。 図１のII−II線に沿った断面図である。 熱電変換モジュールの一般的な構成を示した断面図である。 本実施形態における熱電発電システムの変形例を示した斜視図である。 本実施形態における熱電発電システムの変形例を示した斜視図である。 本発明の他の実施形態における熱電発電システムの構成を模式的に示した斜視図である。 ノズルの他の構成を示した図である。 本発明の他の実施形態における熱電発電システムの構成を模式的に示した斜視図である。 従来の熱電発電システムの構成を模式的に示した斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

図１は、本発明の一実施形態における熱電発電システムの構成を模式的に示した斜視図である。また、図２は、図１のII−II線に沿った断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態における熱電発電システム１は、排熱パイプ１１に熱電変換モジュール１５が装着されている。また、熱電変換モジュール１５の外側には、フレキシブル熱伝導基板１７に取り付けられ、排熱パイプ１１の長手方向に沿って延びる複数の放熱フィン１２が装着されている。さらに、放熱フィン１２を囲むように、放熱フィン１２の外側に、両端部が開口された円筒管１３が配置されている。なお、図１において、円筒管１３の一部を切り欠いて、内部の放熱フィン１２が見えるようにしている。

図３は、熱電変換モジュール１５の一般的な構成を示した断面図である。

図３に示すように、熱電変換モジュール１５は、ｐ型及びｎ型の熱電素子チップ３１、３２が、フレキシブル基板３０上の実装ランド４０に、一列に並んで実装されている。そして、この実装ランド４０と配線４１によって、ｐ型及びｎ型の熱電素子チップ３１、３２は、直列に接続されいる。ここで、熱電変換モジュール１５は、フレキシブル基板３０側が、排熱パイプ１１に装着されており、配線４１側に、放熱フィン１２が装着されている。

図１に示すように、排熱は、排熱パイプ１１を通じて矢印の方向に輸送され、排熱パイプから伝わった熱が、放熱フィン１２から放出される。また、円筒管１３内には、排熱パイプ１１の外周に沿って、気流通路（冷却媒体通路）１８が形成される。これにより、円筒管１３内に、排熱パイプ１１の長手方向に沿った気流が発生し、この気流によって放熱フィン１２が冷却される。このように、気流通路１８を放熱フィン１２の近傍に集中させることができるため、放熱フィン１２を効率的に冷却することができる。

例えば、排蒸気（排熱）パイプ（外径３４ｍｍ）に、熱電変換モジュール（厚さ２ｍｍ、パイプ長手方向の長さ５０ｍｍ）を巻きつけ、熱電変換モジュールの外側に、放熱フィン（長さ６０ｍｍ、高さ３０ｍｍ、フィン数１０）を装着し、さらに、放熱フィンの外側に、円筒管（内径４５ｍｍ、長さ１００ｍｍ）を配置した場合、熱電変換モジュールの両面温度差が２０℃となり、円筒管を配置しない場合の両面温度差（１５℃）に比べて、約１．３倍の両面温度差が得られた。これにより、熱電変換モジュールの熱電発電出力を、約１．８倍に高めることができた。

本実施形態によれば、簡単な構成で、排熱パイプ１１の外周に亘って、放熱フィン１２の近傍に、冷却媒体流路１８を形成することができるため、放熱フィン１２の冷却を効率よく行うことができる。これにより、熱電変換モジュール１５の両面温度差を大きくすることができるため、熱電変換モジュール１５の熱電発電出力を高めることができる。

（本実施形態の変形例）
図４は、本実施形態における熱電発電システムの変形例を示した斜視図である。

図４に示すように、本変形例における熱電発電システム１は、円筒管１３の一方の端部に、外気を円筒管１３内に導入する集風フード１４がさらに設けられている。円筒管１３の一端部に集風フード１４を設けることにより、円筒管１３内の気流をさらに増大するこができる。

例えば、円筒管１３を、上記の実施形態で例示した大きさ（内径４５ｍｍ、長さ１００ｍｍ）のものを用いた場合、集風フード１４として、最下部の内径が６０ｍｍ、長さが２０ｍｍのものを取り付けることができる。なお、円筒管１３の上部を、工場内排気ダクトに繋いでもよい。これにより、円筒管１３内の気流をさらに増大することができる。

図５は、本実施形態における熱電発電システムの他の変形例を示した斜視図である。

図５に示すように、本変形例における熱電発電システム１は、円筒管１３の一方の端部に、円筒管１３内の空気を、円筒管１３外に排出するファン１６が設けられている。円筒管１３の一端部にファン１６を設けることにより、円筒管１３内の気流をさらに増大させることができる。

なお、円筒管１３の一方の端部に集風フード１４を設けるとともに、円筒管１３の他方の端部にファン１６を設けてもよい。これにより、円筒管１３内の気流をさらに増大させることができる。

（他の実施形態）
図６は、本発明の他の実施形態における熱電発電システムの構成を模式的に示した斜視図である。

図６に示すように、本実施形態における熱電発電システム１は、図１に示したのと同様、 フレキシブル基板に複数の熱電素子が実装された熱電変換モジュールが排熱パイプ１１に装着されたものである。

図６に示すように、熱電変換モジュール１５の外側に、フレキシブル熱伝導基板１７に取り付けられ、排熱パイプ１１の長手方向に沿って延びる複数の放熱フィン１２が装着されている。また、放熱フィン１２の一方の端部側に、排熱パイプ１１を取り囲むように、複数のノズル２１が配置されている。また、複数のノズル２１から、放熱フィン１２に向かって、排熱パイプ１１の長手方向に沿った気流が放出されるようになっている。

複数のノズル２１は、例えば、排熱パイプ１１を取り囲んで配置された半円環パイプ２０ａ、２０ｂに取り付けられ、ブロア２２からの送風により、各ノズル２１からの気流が、放熱フィン１２の近傍に冷却媒体流路を形成する。

本実施形態によれば、簡単な構成で、排熱パイプ１１の外周に亘って、放熱フィン１２の近傍に、冷却媒体流路を形成することができるため、放熱フィン１２の冷却を効率よく行うことができる。これにより、熱電変換モジュール１５の両面温度差を大きくすることができるため、熱電変換モジュール１５の熱電発電出力を高めることができる。

ノズル２１は、例えば、内径３ｍｍ、長さ１０ｍｍのものを用いることができる。また、排熱パイプ１１への設置は、半円環パイプ２０ａ、２０ｂを合わせて、ネジ等により固定することにより行うことができる。

ノズル２１と半円環パイプ２０ａ、２０ｂとは、金属製のものを組み合わせて構成してもよく、あるいは、図７に示すように、ノズル２１と送風流路２３とを、樹脂等で一体成型してもよい。

図８は、本発明の他の実施形態における熱電発電システムの構成を模式的に示した斜視図である。

図８に示すように、本実施形態における熱電発電システム１は、図１に示したのと同様、 フレキシブル基板に複数の熱電素子が実装された熱電変換モジュール１５が排熱パイプ１１に装着されたものである。

本実施形態では、熱電変換モジュール１５の外側に、排熱パイプ１１の外周に亘って、ポーラス状または網目状の膜２４が装着されている。そして、この膜２４に湿潤させた冷却液を蒸発させることにより、排熱パイプ１１の外周に亘って、冷却媒体流路が形成される。膜２４への液体の湿潤は、例えば、容器２５に溜めた冷却液を、移送管２６を通じて、膜２４内に移送することにより行うことができる。

本実施形態によれば、簡単な構成で、排熱パイプ１１の外周に亘って、熱電変換モジュール１５に接して冷媒媒体流路を形成することができるため、熱電変換モジュール１５の冷却を効率よく行うことができる。これにより、熱電変換モジュール１５の両面温度差を大きくすることができるため、熱電変換モジュール１５の熱電発電出力を高めることができる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。

なお、上記の実施形態では、排熱パイプ１１に装着された熱電変換モジュール１５の外側に、排熱パイプ１１の外周を覆う放熱フィン１２や、冷却液が湿潤された膜２４を装着し、これらを放熱機構として、熱電変換モジュール１５の排熱パイプ１１と反対側を冷却するようにしたものである。そして、放熱機構として、放熱フィン１２を採用した場合、放熱フィン１２の外側に配置された円筒管１３内に、排熱パイプ１１の外周に亘って、冷却媒体流路１８が形成されることによって、熱電変換モジュール１５の冷却を効率よく行うことができる。また、放熱機構として、冷却液が湿潤された膜２４を採用した場合、膜２４に湿潤させた冷却液を蒸発させることにより、排熱パイプ１１の外周に亘って、冷却媒体流路が形成されるため、熱電変換モジュール１５の冷却を効率よく行うことができる。

１ 熱電発電システム
１１ 排熱パイプ
１２ 放熱フィン
１３ 円筒管
１４ 集風フード
１５ 熱電変換モジュール
１６ ファン
１７ フレキシブル熱伝導基板
１８ 冷却媒体流路
２０ａ、２０ｂ 半円環パイプ
２１ ノズル
２２ ブロア
２３ 送風流路
２４ 膜
２５ 容器
２６ 移送管
３０ フレキシブル基板
３１、３２ 熱電素子チップ
４０ 実装ランド
４１ 配線

Claims (8)

1. フレキシブル基板に複数の熱電素子が実装された熱電変換モジュールが排熱パイプに装着された熱電発電システムであって、
   前記熱電変換モジュールの外側に、前記排熱パイプの外周を覆う放熱機構が設けられ、
   前記排熱パイプの外周に亘って、前記放熱機構の近傍に、冷却媒体流路が形成されている、熱電発電システム。
2. 前記放熱機構は、前記熱電変換モジュールの外側に、前記排熱パイプの外周を覆って装着され、前記排熱パイプの長手方向に沿って延びる複数の放熱フィンで構成されており、
   少なくとも前記放熱フィンを囲むように、前記放熱フィンの外側に、両端部が開口された円筒管が配置され、該円筒管内に、前記排熱パイプの外周に亘って、前記冷却媒体流路が形成されている、請求項１に記載の熱電発電システム。
3. 前記円筒管内に、前記排熱パイプの長手方向に沿った気流が発生し、該気流によって、前記放熱フィンが冷却される、請求項２に記載の熱電発電システム。
4. 前記円筒管の一方の端部に、外気を前記円筒管内に導入する集風フードが設けられている、請求項２または３に記載の熱電発電システム。
5. 前記円筒管の一方の端部に、前記円筒管内の空気を、前記円筒管外に排出するファンが設けられている、請求項２〜４の何れかに記載の熱電発電システム。
6. 前記放熱機構の一方の端部側に、前記排熱パイプを取り囲むように、複数のノズルが配置されており、
   前記複数のノズルから、前記放熱機構に向かって、前記排熱パイプの長手方向に沿った気流を放出することにより、前記排熱パイプの外周に亘って、冷却媒体流路が形成されている、請求項１に記載の熱電発電システム。
7. 前記放熱機構は、前記熱電変換モジュールの外側に、前記排熱パイプの外周を覆って装着され、前記排熱パイプの長手方向に沿って延びる複数の放熱フィンで構成されている、請求項６に記載の熱電発電システム。
8. 前記放熱機構は、前記熱電変換モジュールの外側に、前記排熱パイプの外周を覆って装着されたポーラス状または網目状の膜で構成されており、
   前記膜に湿潤させた冷却液を蒸発させることにより、前記排熱パイプの外周に亘って、冷却媒体流路が形成されている、請求項１に記載の熱電発電システム。