JP2019220654A - Thermoelectric generator and cooling device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、温度差に応じて発電を行う熱電発電装置、及び熱電発電装置に用いられる冷却装置に関する。 The present invention relates to a thermoelectric generator that generates electric power according to a temperature difference, and a cooling device used for the thermoelectric generator.
従来から熱電発電装置に用いられる熱電変換モジュールは、熱源からの熱量が供給される高温側の面と、その面に対向する低温側の面との間の温度差に応じて発電を行う。そのような熱電変換モジュールを用いた場合、温度差をより大きくするには、言い換えれば発電量をより大きくするには、低温側の面の温度をより低くする必要がある。そのため、低温側に冷却装置を取り付けた熱電発電ユニットを構成することが一般的である。 2. Description of the Related Art A thermoelectric conversion module conventionally used in a thermoelectric generator generates power in accordance with a temperature difference between a high-temperature surface to which heat from a heat source is supplied and a low-temperature surface opposed to the high-temperature surface. When such a thermoelectric conversion module is used, in order to increase the temperature difference, in other words, to increase the amount of power generation, it is necessary to lower the temperature of the surface on the low-temperature side. Therefore, it is common to configure a thermoelectric power generation unit having a cooling device attached to the low temperature side.
低温側の面の温度をより低くするために、最近では、ヒートパイプを用いた自然空冷方式の冷却装置が熱電発電ユニットに採用されている(例えば、特許文献1参照)。ヒートパイプは、熱伝導性が優れていることから、そのヒートパイプを用いた冷却装置を採用した場合、低温側の面の熱量を効率的に放熱することができる。 In order to lower the temperature of the low-temperature side surface, recently, a cooling device of a natural air cooling system using a heat pipe is employed in a thermoelectric power generation unit (for example, see Patent Document 1). Since the heat pipe has excellent heat conductivity, when a cooling device using the heat pipe is employed, the heat amount on the low-temperature side surface can be efficiently radiated.
自然空冷方式の冷却装置の冷却性能は、大きさに強く依存する。これは、空気に触れる面積を大きくするほど、冷却性能が向上するためである。そのため、より大きい冷却装置を採用することにより、高温側の面と低温側の面との間の温度差を、より大きくすることができる。 The cooling performance of a natural air cooling type cooling device strongly depends on the size. This is because the larger the area in contact with the air, the better the cooling performance. Therefore, by employing a larger cooling device, the temperature difference between the high-temperature side surface and the low-temperature side surface can be further increased.
多くの場合、熱電発電ユニットは、複数、用いられる。熱源として利用できるスペースは有限なので、冷却装置が単に大きくなると設置できる熱電発電ユニットの数は少なくなる。そのため、個々の熱電発電ユニットの発電量を望ましいものにできたとしても、設置できる熱電発電ユニットの数を十分に確保できないと、熱電発電装置全体で望ましい発電量が得られるとは限らない。また、冷却装置の製造コストは、大きく、重くなるほど高くなるのが普通である。これらのことから、冷却装置の採用にあたっては、熱電発電装置全体で得られる総発電量、及び製造コストを考慮することが重要である。 In many cases, a plurality of thermoelectric generation units are used. Since the space that can be used as a heat source is limited, if the cooling device is simply increased, the number of thermoelectric power generation units that can be installed is reduced. Therefore, even if the amount of power generation of each thermoelectric generation unit can be made desirable, if the number of thermoelectric generation units that can be installed is not sufficiently ensured, the desired amount of power generation is not necessarily obtained in the entire thermoelectric generation device. In addition, the manufacturing cost of the cooling device is large, and generally increases as the weight increases. For these reasons, when employing a cooling device, it is important to consider the total amount of power generated by the entire thermoelectric generator and the manufacturing cost.
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、その目的は、製造コストを抑えつつ、より大きい総発電量を得ることが可能な熱電発電装置及び冷却装置を提供することに在る。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric generator and a cooling device capable of obtaining a larger total power generation amount while suppressing manufacturing costs. .
本発明に係る熱電発電装置は、温度差に応じて発電を行うものであり、温度差に応じて発電を行う熱電発電ユニットを複数、有し、熱電発電ユニットは、熱源からの熱量が流入する第1の面と、第1の面と対向する第2の面との間の温度差に応じて発電を行う1つ以上の熱電変換モジュールと、熱電変換モジュール別に、第2の面側に設けられ、熱電変換モジュールの熱抵抗との熱抵抗比が0.1から0.5の間となる熱抵抗を有する冷却部と、を備える。 The thermoelectric generator according to the present invention generates power in accordance with a temperature difference, has a plurality of thermoelectric generators that generate power in accordance with a temperature difference, and the thermoelectric generator receives heat from a heat source. One or more thermoelectric conversion modules that generate electric power in accordance with a temperature difference between the first surface and a second surface facing the first surface, and a thermoelectric conversion module provided separately on the second surface side And a cooling unit having a thermal resistance having a thermal resistance ratio of 0.1 to 0.5 with respect to the thermal resistance of the thermoelectric conversion module.
本発明によれば、製造コストを抑えつつ、より大きい総発電量を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a larger total power generation amount while suppressing manufacturing costs.
以下、本発明に係る熱電発電装置、及びその熱電発電装置に用いられる冷却装置の各実施の形態を、図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of a thermoelectric generator according to the present invention and a cooling device used for the thermoelectric generator will be described with reference to the drawings.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る熱電発電装置の設置環境例を示す図である。本実施の形態1に係る熱電発電装置は、廃熱利用のために、工場に設置されている。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an installation environment of a thermoelectric generator according to
工場設備1は、例えば燃料、ゴミ等の燃焼により、高温ガス、つまり熱電発電を可能にさせる熱源流体を発生させる。この高温ガスは、配管2、及び煙突3を介して大気に排出される。本実施の形態1に係る熱電発電装置は、配管2に取り付けられ、大気に排出される高温ガスを熱源として発電を行うことを想定している。
The
なお、本実施の形態1に係る熱電発電装置は、工場での利用に限定されない。本実施の形態1に係る熱電発電装置は、熱電発電を行ううえでの熱源が存在する場所であれば、幅広く利用することができる。
Note that the thermoelectric generator according to
図2は、本発明の実施の形態1に係る熱電発電装置の設置例を示す斜視図であり、図3は、本発明の実施の形態1に係る熱電発電装置が備える熱電発電ユニットの配置例を示す図である。
FIG. 2 is a perspective view showing an example of installation of the thermoelectric generator according to
図2、及び図3に示すように、本実施の形態1に係る熱電発電装置10は、配管2の外側に取り付けられている。その熱電発電装置10は、複数の熱電発電ユニット11を備え、その複数の熱電発電ユニット11は、配管2の外側に、周方向上に並べて取り付けられている。図3は、配管2の軸方向上の視点で各熱電発電ユニット11の配置例を示している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
熱電発電装置10が取り付けられるのは、配管2が水平、或いはほぼ水平となっている部分、言い換えれば、配管2の軸方向が図2に矢印で示す鉛直方向と垂直、或いはほぼ垂直となっている部分である。本実施の形態1では、図2、及び図3に示すように、熱電発電装置10を構成する熱電発電ユニット11は、配管2の上側半分ほどの範囲内に設置している。各熱電発電ユニット11は、取付部材15により、その取付部材15と配管2との間に挟持されて固定される。
The
取付部材15では、それぞれ1つの熱電発電ユニット11が取り付け可能な接続板15aが蝶番の要領で連結されている。それにより、各熱電発電ユニット11は、取付部材15により、相対的な位置関係が維持される。その位置関係が維持される状態とした後、例えば取付部材15の両端に位置する接続板15aをベルト状の部材により連結すれば、各熱電発電ユニット11を配管2に固定させることができる。各熱電発電ユニット11の配管2への固定は、別のベルト状の部材を用いて、取付部材15が備える各接続板15aを配管2に向けることにより行っても良い。各熱電発電ユニット11の配管2への取付方法、つまり固定方法は、特に限定されない。これは、各熱電発電ユニット11を断面形状が円形ではない配管2に取り付ける場合、及び配管2以外の対象物に取り付ける場合であっても同様である。
In the
配管2は、図3に示すように、径方向に沿った断面が円形のパイプである。しかし、配管2の断面形状は、円形に限定されない。例えば図4に示すように、配管2の断面形状は矩形であっても良い。
As shown in FIG. 3, the
図5は、本発明の実施の形態1に係る熱電発電装置が備える熱電発電ユニットの斜視図である。この熱電発電ユニット11は、図5に示すように、発電部51と、冷却部52とに大別される。発電部51には、熱電発電により得られた電力を外部に出力するための電線53が設けられている。
FIG. 5 is a perspective view of a thermoelectric generation unit included in the thermoelectric generation device according to
図6は、発電部の構成例を示す分解図である。この発電部51は、配管2側から、熱伝達媒体61、熱電変換モジュール62、及び熱伝達媒体63が重ねられた構造体である。熱伝達媒体61は、配管2に直接、接触させる媒体であり、熱伝達媒体63は、冷却部52と直接、接触させる媒体である。熱電変換モジュール62は、この2つの熱伝達媒体61、63間に挟まれている。それにより、熱電変換モジュール62では、熱伝達媒体61と接する面が高温側の面、つまり配管2からの熱量が流入する第1の面となり、熱伝達媒体63と接する面、つまり第1の面と対向する面が低温側の第2の面となる。熱電変換モジュール62は、それら両面の温度差に応じて発電を行い、その発電により得られた電力を2本の電線53により外部に供給する。熱電変換モジュール62は、周知の技術を用いて作製されるもので良いことから、詳細な説明は省略する。
FIG. 6 is an exploded view showing a configuration example of the power generation unit. The power generation unit 51 is a structure in which a heat transfer medium 61, a thermoelectric conversion module 62, and a heat transfer medium 63 are stacked from the
図7は、冷却部の例を示す斜視図である。この冷却部52は、本実施の形態1に係る冷却装置に相当する部品であり、図7に示すように、受熱板71、ヒートパイプ72、放熱板73、支持部材74、及び固定部材75を備えている。
FIG. 7 is a perspective view illustrating an example of the cooling unit. The cooling
受熱板71は、熱伝達媒体63と接触させる媒体であり、熱電変換モジュール62の低温側の面である第2の面からの熱量が熱伝達媒体63を介して伝達される。そのために、受熱板71は、熱伝達媒体63とほぼ同じ形状で同じ大きさとなっている。ヒートパイプ72は、受熱板71と固定部材75との間に挟持されたように固定される部品である。ヒートパイプ72は、図7に示すように、固定部材75の長手方向に沿って、受熱板71に取り付けられている。ヒートパイプ72の取付方法としては、例えばろう接を挙げることができる。その取付方法は、特に限定されるものではないが、受熱板71からヒートパイプ72への熱伝達が効率的に行える方法を採用するのが好ましい。
The
このろう接には、使用する溶加材の種類によって、ろう付けとはんだ付けに区分されている。溶加材の違いにより、ろう付けは、はんだ付けより高温で行われる。ろう付けは、はんだ付けと比較し、耐熱性、及び強度ともに非常に優れている。 This brazing is classified into brazing and soldering according to the type of the filler material used. Due to the difference in filler material, brazing is performed at a higher temperature than soldering. Brazing is very excellent in both heat resistance and strength as compared with soldering.
固定部材75には、受熱板71の反対側に突出する4つの突出部75aが設けられている。取付部材15を構成する各接続板15aには、この突出部75aを挿入するための穴が設けられている。それにより、固定部材75は、図2に示すように、各熱電発電ユニット11を連結させつつ、各熱電発電ユニット11を取り付けるべき場所に固定するために用いられる。接続板15aに接触させるベルト状の部材により各熱電発電ユニット11を配管2に取り付ける場合、突出部75aは、そのベルト状の部材が配管2の軸方向上にズレるのを防止するように機能する。固定部材75の受熱板71への取付方法は、特に限定されるものではないが、例えばろう接を挙げることができる。
The fixing
ヒートパイプ72は、図7に示すように、受熱板71の長手方向全体にわたる中央部分が直線状である。その直線状の中央部分は、支持部材74により周囲が覆われた状態となっている。それにより、ヒートパイプ72は、支持部材74を介して、受熱板71からの熱量が伝達される。ヒートパイプ72の取り付けにこのような構造を採用したのは、周囲を覆う支持部材74によりヒートパイプ72をより安定的に固定すると共に、そのヒートパイプ72に熱量を伝達する面積をより大きくするためである。その面積をより大きくすることにより、受熱板71からヒートパイプ72への熱量の伝達はより効率的に行わせることができる。
As shown in FIG. 7, the
なお、支持部材74は、ヒートパイプ72を直接、受熱板71に取り付けることにより、不要としても良い。また、ヒートパイプ72の固定に、固定部材75を用いても良い。これは、固定部材75を介した受熱板71からヒートパイプ72への熱伝達が期待できるからである。何れの変形例でも、より効率的な熱伝達を実現するために、ろう接を採用するか、或いは併用するのが好ましい。
The
そのヒートパイプ72は、全体的にはU字型の形状であり、受熱板71と支持部材74を介して接する部分から両端部にいくにつれて、受熱板71と発電部51とを重ねる方向上の距離が長くなっている。放熱板73は、熱量の放熱のための部材であり、ヒートパイプ72の両端側に複数、取り付けられている。放熱板73が取り付けられているのは、受熱板71と発電部51とを重ねる方向と平行か、或いはほぼ平行となっている部分である。以降、この重ねる方向は「高さ方向」と表記する。この高さ方向は、配管2の径方向と基本的に一致する。
The
ヒートパイプ72の直線状の受熱板71と接する部分は、受熱板71熱量が伝達されることから、内部の作動液が蒸発する蒸発部である。放熱板73が取り付けられる部分は、気化した作動液が液化する凝縮部である。
The portion of the
なお、ヒートパイプ72の形状は、U字型に限定されない。ヒートパイプ72に、直線状の中央部分から両端にいくにつれて高さ方向が長くなる形状を採用しているのは、その方向が長くなるほど、言い換えれば配管2から離すほど、より温度の低い空気を放熱板73に接触させられると期待できるからである。そのような空気が接触すると期待できる形状であれば良いことから、ヒートパイプ72の全体的な形状は、円弧状、V字型、等であっても良い。
Note that the shape of the
また、本実施の形態1では、ヒートパイプ72を一本としているが、ヒートパイプ72は2本以上としても良い。例えば図8に示すように、2本のヒートパイプ72(1)、72(2)を受熱板71の短手方向上に並べ、その受熱板71に取り付けても良い。図8では、ヒートパイプ72を2本としたことから、ヒートパイプ72の受熱板71からの高さは図7に示すヒートパイプ72よりも低くなっている。
In the first embodiment, the number of
熱電発電ユニット11、つまり熱電変換モジュール62の発電量は、高温側の面と低温側の面との間の温度差の2乗に比例する。熱電発電装置10の設置環境は一定と想定した場合、その温度差をより大きくするためには、冷却部52の熱抵抗をより小さくする、つまり冷却部52の放熱に関与する表面積を大きくして冷却性能をより向上させる必要がある。
The amount of power generated by the thermoelectric generation unit 11, that is, the thermoelectric conversion module 62 is proportional to the square of the temperature difference between the high-temperature side surface and the low-temperature side surface. Assuming that the installation environment of the
冷却部52の熱抵抗をより小さくするほど、その冷却部52の設置に必要な空間はより大きくなり、その冷却部52の重量はより重くなる。これは、冷却部52の空気に触れる面積をより大きくさせる必要があるからである。その面積をより大きくするためには、放熱板73の枚数をより多くすると共に、ヒートパイプ72をより長くする、受熱板71とヒートパイプ72の接触部である蒸発部の接触面積を広くすることも有効であるため、受熱板71の長手方向上の長さを長くすると共に、厚みを厚くして熱電変換モジュール62からの熱量が受熱板の端部までより伝達されるようにする、といったことが必要である。そのため、冷却部52の製造コスト、つまり熱電発電装置10の製造コストもより上昇することになる。
The smaller the thermal resistance of the cooling
一方、冷却部52の熱抵抗がより大きくなるほど、熱電変換モジュール62の高温側の面と低温側の面との間の温度差はより小さくなり、熱電変換モジュール62、つまり熱電発電ユニット11の発電量はより少なくなる。そのため、熱電発電装置10の発電量を一定レベル以上とさせるような場合、必要な熱電変換モジュール62の数はより多くなる。
On the other hand, as the thermal resistance of the cooling
このように、冷却部52の熱抵抗は、熱電発電装置10の構成、及び構造に大きく影響する。そこで、熱電変換モジュール62の熱抵抗を基準に、その熱電変換モジュール62の熱抵抗と冷却部52の熱抵抗との間の熱抵抗比による各種特性の変化をシミュレーションにより試算した。この熱抵抗比は、冷却部52の熱抵抗を熱電変換モジュール62の熱抵抗により除算して得られる値である。この熱抵抗比は以降「冷却性能比」と表記する。
As described above, the thermal resistance of the
冷却性能比が小さいとき、冷却部52は熱電変換モジュール62より熱抵抗が小さいので、熱電変換モジュール62の高温側の面と低温側の面との間の温度差はより大きくなる。この温度差が大きくなることから、熱電変換モジュール62、つまり熱電発電ユニット11の発電量はより多くなる。
When the cooling performance ratio is small, the cooling
冷却性能比による各種特性の変化を説明する前に、図9、及び図10を参照し、冷却性能比による冷却部52の外形の変化について具体的に説明する。図9は、冷却性能比が0.3の場合の冷却部の例を示す図であり、図10は、冷却性能比が0.1の場合の冷却部の例を示す図である。
Before describing changes in various characteristics depending on the cooling performance ratio, changes in the outer shape of the cooling
ここでは、図9、及び図10に示すように、冷却部52として、受熱板71に一方の端部を含む部分が取り付けられ、その部分から他方の端部にいくにつれて高さが高くなるヒートパイプ72、つまり全体の形状がL字型のヒートパイプ72を用いた冷却部52を例にとっている。
Here, as shown in FIG. 9 and FIG. 10, a portion including one end is attached to the
形状の表現では、部材等に係わらず、図9に示すように、受熱板71の長手方向上の長さを長さL、その短手方向上の長さを幅W、受熱板71と発電部51が重なる方向の長さは高さH、とそれぞれ表記する。冷却部52の高さHは、受熱板71の底面、つまり熱伝達媒体63と接する面を基準に表現する。
In terms of the shape, regardless of the members and the like, as shown in FIG. 9, the length in the longitudinal direction of the
熱量の除去は、つまり放熱は、主に放熱板73によって行われる。放熱板73に放熱させる熱量が大きくなるほど、受熱板71からヒートパイプ72への熱量の伝達量をより大きくする必要がある。このことから、図9、及び図10に示すように、冷却部52の熱抵抗を小さくし冷却性能比を小さくさせるほど、放熱板73の枚数はより多く、ヒートパイプ72の長さはより長くする必要がある。加えて、図10に示すように、受熱板71自体をより大きくして、例えば長さLをより長くして、より大きい熱量がヒートパイプ72に伝達されるようにする必要がある。そのため、冷却性能比を小さくするほど、冷却部52の体積はより大きくなり、その重量はより重くなる。冷却部52の体積は、例えば冷却部52自体の幅W、長さL、高さHを乗算して得られる値である。
Removal of heat, that is, heat radiation is mainly performed by the
図11は、冷却性能比による熱電変換モジュールの発電量の変化、及び重量比の変化の各例を説明する図である。図11では、横軸に冷却性能比、右縦軸に重量比、左縦軸に発電量、をそれぞれとっている。重量比は、冷却性能比が0.05の冷却部52を基準とした値であり、冷却性能比がxのときの重量比は、冷却性能比がxのときの冷却部52の重量を冷却性能比が0.05のときの冷却部52の重量で除算し100を乗算して算出される。単位は%である。
FIG. 11 is a diagram illustrating each example of a change in the power generation amount of the thermoelectric conversion module and a change in the weight ratio depending on the cooling performance ratio. In FIG. 11, the horizontal axis indicates the cooling performance ratio, the right vertical axis indicates the weight ratio, and the left vertical axis indicates the power generation amount. The weight ratio is a value based on the
図11では、冷却性能比による発電量の変化は○を付した線で表し、冷却性能比による重量比の変化は△を付した線で表している。 In FIG. 11, a change in the amount of power generation according to the cooling performance ratio is indicated by a line with a circle, and a change in the weight ratio according to the cooling performance ratio is indicated with a line with a triangle.
図11に示すように、熱電変換モジュール62、つまり熱電発電ユニット11の発電量を増加させるためには、冷却性能比を小さくする必要がある。これは、上記のように、冷却性能比が小さくなるほど、熱電変換モジュール62の高温側の面と低温側の面との間の温度差がより大きくなるためである。しかし、冷却性能比を小さくするほど、上記のように、冷却部52の体積はより大きくなり、重量比は大きくなる。1つの熱電発電ユニット11の発電量はできるだけ多く、重量比は小さくなるように鑑みると、冷却性能比が0.05から0.1に変化する間に重量比は大きく低下するのに対し、発電量の低下は十数%にとどまっている。
As shown in FIG. 11, in order to increase the power generation amount of the thermoelectric conversion module 62, that is, the thermoelectric power generation unit 11, it is necessary to reduce the cooling performance ratio. This is because, as described above, as the cooling performance ratio decreases, the temperature difference between the high-temperature side surface and the low-temperature side surface of the thermoelectric conversion module 62 increases. However, as the cooling performance ratio decreases, as described above, the volume of the cooling
なお、冷却部52の重量は、体積に強く依存し、ほぼ体積に比例する。このことから、重量比の代わりに体積比を用いても良い。体積比は、例えば重量比と同様に、基準とする冷却性能比のときの冷却部52の体積を基準体積として、冷却性能比がxのときの体積比は、冷却性能比がxのときの冷却部52の体積を基準体積で除算し100を乗算して算出すれば良い。
Note that the weight of the cooling
図12は、冷却性能比による熱電発電装置の総発電量の変化、及び設置可能な熱電発電ユニットの数の変化の各例を説明する図である。図12では、横軸に冷却性能比、右縦軸に設置可能な熱電発電ユニット11の数である設置可能数、左縦軸に総発電量、をそれぞれとっている。冷却性能比による総発電量の変化は○を付した線で表し、冷却性能比による設置可能数の変化は□を付した線で表している。 FIG. 12 is a diagram illustrating each example of a change in the total power generation amount of the thermoelectric generator according to the cooling performance ratio and a change in the number of thermoelectric generator units that can be installed. In FIG. 12, the horizontal axis indicates the cooling performance ratio, the right vertical axis indicates the number of installable thermoelectric power generation units 11 that can be installed, and the left vertical axis indicates the total power generation amount. The change in the total power generation amount according to the cooling performance ratio is indicated by a line with a circle, and the change in the installable number according to the cooling performance ratio is indicated with a line with a square.
総発電量の増加は、各熱電発電ユニット11の発電量を増加させる、熱電発電ユニット11の数を多くする、等により実現できる。各熱電発電ユニット11の発電量を増加させるためには、図11に示すように、冷却性能比を小さくする必要がある。しかし、図12に示すように、冷却性能比を小さくするほど、設置可能数は少なくなる。冷却性能比が0.5から1に変化する間は、設置可能数が増えても、総発電量は大きく増えない。これは、冷却性能比が0.5から1に変化する間では、各熱電発電ユニット11における温度差の低下が比較的に大きくなるからである。熱電発電ユニット11の発電量は温度差の二乗で低下することから、この温度差の低下により、冷却性能比が0.5から1に変化する間、個々の熱電発電ユニット11の発電量は低下する傾向となる。 The increase in the total power generation amount can be realized by increasing the power generation amount of each thermoelectric generation unit 11, increasing the number of thermoelectric generation units 11, and the like. In order to increase the amount of power generated by each thermoelectric power generation unit 11, it is necessary to reduce the cooling performance ratio as shown in FIG. However, as shown in FIG. 12, the smaller the cooling performance ratio, the smaller the number that can be installed. While the cooling performance ratio changes from 0.5 to 1, even if the number of installable units increases, the total power generation amount does not greatly increase. This is because while the cooling performance ratio changes from 0.5 to 1, the decrease in the temperature difference in each thermoelectric generation unit 11 becomes relatively large. Since the power generation amount of the thermoelectric generation unit 11 decreases as the square of the temperature difference, the power generation amount of each thermoelectric generation unit 11 decreases while the cooling performance ratio changes from 0.5 to 1 due to the decrease in the temperature difference. Tend to be.
図13は、冷却性能比による熱電発電装置での重量比の変化、及び一定の発電量を得るのに必要な熱電発電ユニットの数の変化の各例を説明する図である。図13では、横軸に冷却性能比、右縦軸に必要な熱電発電ユニット11の数である必要数、左縦軸に重量比、をそれぞれとっている。重量比の変化は△を付した線で表し、必要数の変化は□を付した線で表している。熱電発電装置での重量は、熱電発電ユニット11の重量と必要数とを乗算した値であり、その重量比は、熱電発電ユニット11と同様に、冷却性能比が0.05のときの熱電発電装置10を基準とした値である。冷却性能比が0.05の熱電発電装置10とは、冷却性能比が0.05の熱電発電ユニット11を採用した熱電発電装置10のことである。
FIG. 13 is a diagram illustrating each example of a change in the weight ratio in the thermoelectric generator according to the cooling performance ratio and a change in the number of thermoelectric generator units required to obtain a constant power generation amount. In FIG. 13, the horizontal axis indicates the cooling performance ratio, the right vertical axis indicates the required number which is the required number of thermoelectric power generation units 11, and the left vertical axis indicates the weight ratio. The change in weight ratio is indicated by a line with △, and the change in the required number is indicated by a line with □. The weight in the thermoelectric generator is a value obtained by multiplying the weight of the thermoelectric generator unit 11 by the required number, and the weight ratio is the same as that of the thermoelectric generator unit 11 when the cooling performance ratio is 0.05. The value is based on the
図13に示すように、一定の発電量を得るためには、冷却性能比が大きくなるほど、必要数量が多くなり、必要数量が多いほど、熱電発電装置10の重量は軽くなる。重量は体積にほぼ比例することから、重量が軽くなるほど、熱電発電装置10は小型となる。
As shown in FIG. 13, in order to obtain a constant power generation amount, the required number increases as the cooling performance ratio increases, and the weight of the
熱電発電装置10も熱電発電ユニット11と同様に、冷却性能比が0.05から0.1に変化する間に重量比は大きく低下するのに対し、必要数の増加は比較的に少ない。また、冷却性能比が0.5から1.0に変化する間では、重量の変化は小さくとも、必要数は大きく増加している。これは、上記のように、個々の熱電発電ユニット11の発電量が低下するからである。このようなことから、費用対効果、つまり製造コスト対総発電量が高くなるのは、冷却性能比が0.1〜0.5の冷却部52をもつ熱電発電ユニット11を採用した場合だとわかる。
Similarly to the thermoelectric power generation unit 11, the weight ratio of the thermoelectric
上記のようなことから、本実施の形態1では、冷却性能比を0.1〜0.5の間、つまり冷却部52の熱抵抗を熱電変換モジュール62の熱抵抗の10%以上50%以下としている。そのような熱抵抗の冷却部52を用いることにより、最適な熱電発電装置10を得ることができる。つまり大型化、重量化、及び製造コストを抑制しつつ、より大きい総発電量が得られる熱電発電装置10を実現させることができる。大型化、重量化、及び製造コストの抑制は、費用対効果の低い大型で重量のある冷却部52を採用しない、総電力量の増大が期待できない、或いは増大できる発電量が小さいような熱電発電ユニット11を設置しない、といったことから実現できる。それらの抑制により、より総発電量の多い熱電発電装置10をより安価に得ることができる。
From the above, in the first embodiment, the cooling performance ratio is between 0.1 and 0.5, that is, the thermal resistance of the cooling
なお、本実施の形態1では、冷却性能比を0.1〜0.5の間としているが、その範囲は多少、変動させても良い。例えば、熱電発電装置10の重量比は、図13に示すように、冷却性能比が0.1から0.2に変化するまでの間の変化量が他の部分と比較して大きくなっている。このことを重視し、冷却性能比を0.2〜0.5までの間としても良い。
In the first embodiment, the cooling performance ratio is between 0.1 and 0.5, but the range may be slightly changed. For example, as shown in FIG. 13, the change in the weight ratio of the
実施の形態2.
上記実施の形態1では、上記のように、熱電発電装置10が取り付けられるのは、配管2が水平、或いはほぼ水平となっている部分と想定している。これに対し、本実施の形態2では、配管2の鉛直方向上の位置を変化させる部分、例えば鉛直、或いはほぼ鉛直となっている部分に取り付けられるのを想定している。ここでは、上記実施の形態1と同じ、或いは相当するものには同一の符号を付し、上記実施の形態1から異なる部分にのみ着目して説明を行う。
In the first embodiment, it is assumed that the
図14は、本発明の実施の形態2に係る熱電発電装置の設置例を示す斜視図であり、図15は、本発明の実施の形態2に係る熱電発電装置が備える熱電発電ユニットの配置例を示す図である。
FIG. 14 is a perspective view illustrating an example of installation of a thermoelectric generator according to
図14、及び図15に示すように、本実施の形態2に係る熱電発電装置10は、配管2の鉛直、或いはほぼ鉛直となっている部分、つまり軸方向が図14中に矢印で示す鉛直方向と平行、或いはほぼ平行となっている部分に取り付けられている。その熱電発電装置10では、図15に示すように、配管2の周囲全体に熱電発電ユニット11が配置されている。
As shown in FIGS. 14 and 15, the
上記実施の形態1では、ヒートパイプ72はU字型の形状であり、図2に示すように、配管2の軸方向に沿って受熱板71に取り付けられている。その軸方向が鉛直方向であった場合、ヒートパイプ72の2つ存在する凝縮部のうちの一方は、蒸発部より下になる。凝縮部が蒸発部よりも下になる状態はトップヒートと呼ばれ、ヒートパイプ72の熱輸送量は著しく低下する。上記実施の形態1において、配管2の上方部分にのみ熱電発電ユニット11を設置しているのは、このトップヒートを回避させるためである。
In the first embodiment, the
図16は、本発明の実施の形態2に係る熱電発電装置に用いられる冷却部の例を示す斜視図である。この冷却部52は、本実施の形態2に係る冷却装置に相当する構成要素である。
FIG. 16 is a perspective view illustrating an example of a cooling unit used in the thermoelectric generator according to
本実施の形態2では、図16に示すように、全体の形状がL字型のヒートパイプ72(1)、72(2)2を受熱板71に取り付けている。受熱板71に取り付けているのは、各ヒートパイプ72(1)、72(2)の一方の端部を含む直線状となっている部分であり、放熱板73は、その直線状の部分から離れた箇所と他方の端部との間に取り付けられている。放熱板73が取り付けられている部分は、図14に示すように、熱電発電装置10を配管2に取り付けた場合に、上側となる。放熱板73が干渉しないように、各ヒートパイプ72(1)、72(2)の鉛直方向上の位置、及びその鉛直方向と直交する直交方向上の位置は、図16に示すように異ならせている。放熱板73の幅W、及び長さLは、ヒートパイプ72が1本の場合と比較して、共に短くさせている。
In the second embodiment, as shown in FIG. 16, heat pipes 72 (1) and 72 (2) 2 having an L-shaped overall shape are attached to a
このような冷却部52を用いることにより、配管2の鉛直となっている部分に熱電発電装置10を取り付ける場合であっても、トップヒートとなるのを回避させることができる。そのため、配管2の鉛直となっている部分に熱電発電装置10を取り付ける場合、上記実施の形態1と比較して、同じ体積、同じ重量での熱抵抗はより小さくさせることができる。従って、より安価に、より総発電量の多い熱電発電装置10を実現させることができるようになる。
By using such a
なお、本実施の形態2では、ヒートパイプ72を2本、受熱板71に取り付けているが、図9に示すように、ヒートパイプ72は1本としても良い。ヒートパイプ72の本数は3以上であっても良い。また、配管2の水平、或いはほぼ水平となっている部分に熱電発電装置10を取り付ける場合、図17に示すように、受熱板71の長手方向上の両側に放熱板73が位置するように2本のヒートパイプ72を受熱板71に取り付けるようにしても良い。このこともあり、ヒートパイプ72は、放熱板73が設けられた部分が受熱板71の長手方向上の何れの側であっても取り付けられるようにするのが望ましい。
In the second embodiment, two
実施の形態3.
上記実施の形態2では、図15に示すように、ヒートパイプ72は配管2の径方向上に沿って突出している。そのため、熱電発電装置10を配管2に取り付ける場合、配管2の径方向上の広い範囲に障害物が存在しないことが条件となる。このことから、本実施の形態3は、配管2の径方向上に必要とする範囲、つまり径方向上の設置スペースをより小さくさせたものである。その範囲をより小さくすることにより、上記実施の形態2では設置できない場所にも熱電発電装置を設置することができる。ここでも上記実施の形態2と同様に、上記実施の形態1と同じ、或いは相当するものには同一の符号を付し、上記実施の形態2から異なる部分にのみ着目して説明を行う。
In the second embodiment, as shown in FIG. 15, the
図18は、本発明の実施の形態3に係る熱電発電装置の設置例を示す斜視図であり、図19は、本発明の実施の形態3に係る熱電発電装置が備える熱電発電ユニットの配置例を示す図である。また、図20は、本発明の実施の形態3に係る熱電発電装置に用いられる冷却部の例を示す斜視図である。この冷却部52は、本実施の形態3に係る冷却装置に相当する構成要素である。
FIG. 18 is a perspective view illustrating an installation example of a thermoelectric generator according to
図18、及び図19に示すように、本実施の形態3に係る熱電発電装置10は、上記実施の形態2と同様に、配管2の鉛直、或いはほぼ鉛直となっている部分、つまり図18中に矢印で示す鉛直方向と平行、或いはほぼ平行となっている部分に取り付けられている。その熱電発電装置10では、図19に示すように、配管2の周囲全体に熱電発電ユニット11が配置されている。
As shown in FIG. 18 and FIG. 19, the
上記実施の形態2では、図16に示すように、ヒートパイプ72はL字型の形状であり、一方の端部は配管2の径方向に沿って突出している。その径方向上に突出する部分、つまり高さHをより低くするために、本実施の形態3では、図18、及び図20に示すように、ヒートパイプ72の放熱板73が取り付けられた部分は、受熱板71から配管2の軸方向上に沿って突出させるようにしている。ヒートパイプ72の本数は2本としている。
In the second embodiment, as shown in FIG. 16, the
本実施の形態3では、図20に示すように、ヒートパイプ72として、全体の形状がクランク状、つまり直角、或いは直角に近い角度で2度、反対方向に曲げて得られる形状のヒートパイプ72(1)、72(2)を用いている。そのために、各ヒートパイプ72は、曲がる方向が異なる2箇所の曲り部72a、72bを有している。
In the third embodiment, as shown in FIG. 20, the
受熱板71に取り付けているのは、各ヒートパイプ72(1)、72(2)の一方の端部を含む直線状となっている部分であり、放熱板73は、その直線状の部分から離れた箇所と他方の端部との間に取り付けられている。放熱板73が取り付けられている部分は、図18に示すように、熱電発電装置10を配管2に取り付けた場合、鉛直方向上、受熱板71より上側になる。放熱板73が干渉しないように、各ヒートパイプ72(1)、72(2)の配管2の径方向上の位置、及びその周方向上の位置は、図19に示すように異ならせている。放熱板73の幅W、及び長さLは、ヒートパイプ72が1本の場合と比較して、共に短くさせている。
What is attached to the
このような冷却部52の構造とすることにより、図19に示すように、配管2の径方向上の熱電発電装置10の設置に必要な空間は、上記実施の形態2と比較して、より小さくすることができる。そのため、本実施の形態3では、上記実施の形態2では設置できない場所にも熱電発電装置10を設置させることができる。
By adopting such a structure of the cooling
なお、本実施の形態3では、曲り部72a、72bで曲がる角度は直角、或いは直角に近い角度としているが、その角度に限定されない。このことから、ヒートパイプ72は、Z字型であっても良い。また、曲がる方向は反対方向でなくとも良い。
In the third embodiment, the angle at which the bending portions 72a and 72b bend is a right angle or an angle close to a right angle, but is not limited to this angle. For this reason, the
例えば高さ方向、長さ方向をそれぞれ軸とする2次元平面を想定する。その2次元平面において、曲り部72aと曲り部72bとの間の部分と高さ方向とが成す角度をα、曲り部72aから先の部分と高さ方向とが成す角度をβとする。曲り部72aと曲り部72bとの間の部分とは、例えばヒートパイプ72のその間の部分における軸方向である。曲り部72aから先の部分とは、例えばヒートパイプ72のその先の部分における軸方向である。
For example, assume a two-dimensional plane having axes in the height direction and the length direction, respectively. In the two-dimensional plane, an angle between a portion between the bent portion 72a and the bent portion 72b and the height direction is α, and an angle between a portion beyond the bent portion 72a and the height direction is β. The portion between the bent portion 72a and the bent portion 72b is, for example, the axial direction of the portion of the
このように想定した場合、角度αの絶対値<角度βの絶対値、の関係を満たすように、曲り部72a、72bの曲がる角度、曲がる方向を決定すれば良い。これは、その関係が満たされる場合、ヒートパイプ72の長さが同じであれば、曲り部72bだけが存在する場合の高さH>曲り部72a、72bが存在する場合の高さH、となるからである。言い換えれば、曲り部72bだけが存在する場合の長さL<曲り部72a、72bが存在する場合の長さL、となるからである。このため、配管2の径方向上の熱電発電装置10の設置に必要な空間を上記実施の形態2よりも小さくさせることができる。曲り部の数は3以上であっても良いが、基準とする角度をαと想定した場合、上記関係を満たす角度βを実現させる曲り部を1つ以上、設ける必要がある。
In this case, it is only necessary to determine the bending angle and the bending direction of the bending portions 72a and 72b so as to satisfy the relationship of the absolute value of the angle α <the absolute value of the angle β. When the relationship is satisfied, if the lengths of the
また、本実施の形態3では、ヒートパイプ72を2本、用いているが、図21に示すように、ヒートパイプ72は1本のみであっても良い。ヒートパイプ72の本数は3以上であっても良い。また、配管2の水平、或いはほぼ水平となっている部分に熱電発電装置10を取り付けるような場合、図17に示すように、受熱板71の長手方向上の両側に放熱板73が位置するように2本のヒートパイプ72を受熱板71に取り付けても良い。また、1本のヒートパイプ72の両端側に放熱板73を設け、そのヒートパイプ72の中央部分を受熱板71に取り付けるようにしても良い。このヒートパイプ72は、2本以上、受熱板71に取り付けても良い。
In the third embodiment, two
本実施の形態1〜3では、1つの熱電変換モジュール62、つまり1つの発電部51に1つの冷却部52を取り付けるようにしている。これは、熱電発電装置10の取り付けを想定する配管2の断面形状として円形を想定しているためである。しかし、熱電発電装置10を取り付けるのは配管2に限定されるものではなく、熱電発電装置10は平坦な部分に設置しても良い。このこともあり、複数の発電部51に1つの冷却部52を取り付ける、言い換えれば1つの熱電発電ユニット11に複数の熱電変換モジュール62を用いるようにしても良い。
In the first to third embodiments, one
また、本実施の形態1〜3では、熱電発電装置10は複数の熱電発電ユニット11、つまり複数の熱電変換モジュール62を備えているが、熱電変換モジュール62の数は特に限定されるものではない。
In the first to third embodiments, the
1 工場設備、2 配管、10 熱電発電装置、11 熱電発電ユニット、51 発電部、52 冷却部(冷却装置)、61、63 熱伝達媒体、62 熱電変換モジュール、71 受熱板、72、72(1)、72(2) ヒートパイプ、73 放熱板。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記温度差に応じて前記発電を行う熱電発電ユニットを複数、有し、
前記熱電発電ユニットは、
熱源からの熱量が流入する第1の面と、前記第1の面と対向する第2の面との間の温度差に応じて発電を行う1つ以上の熱電変換モジュールと、
前記熱電変換モジュール別に、前記第2の面側に設けられ、前記熱電変換モジュールの熱抵抗との熱抵抗比が0.1から0.5の間となる熱抵抗を有する冷却部と、
を備える熱電発電装置。 A thermoelectric generator that generates electric power according to a temperature difference,
A plurality of thermoelectric generation units that perform the power generation in accordance with the temperature difference,
The thermoelectric generation unit,
A first surface into which heat from a heat source flows, and one or more thermoelectric conversion modules that generate power according to a temperature difference between a second surface facing the first surface and
A cooling unit provided on the second surface side for each of the thermoelectric conversion modules, and having a thermal resistance having a thermal resistance ratio of 0.1 to 0.5 with respect to a thermal resistance of the thermoelectric conversion module;
A thermoelectric generator comprising:
前記第2の面からの熱量が供給される受熱板と、
前記受熱板に取り付けられた1つ以上のヒートパイプと、
前記ヒートパイプに設けられた複数の放熱板と、
を有する請求項1に記載の熱電発電装置。 The cooling unit includes:
A heat receiving plate to which heat from the second surface is supplied;
One or more heat pipes attached to the heat receiving plate;
A plurality of heat sinks provided in the heat pipe,
The thermoelectric generator according to claim 1, comprising:
請求項2に記載の熱電発電装置。 The heat pipe has a shape in which a length in a direction in which the first surface and the second surface overlap with each other increases from a portion attached to the heat receiving plate to an end portion,
The thermoelectric generator according to claim 2.
請求項3に記載の熱電発電装置。 The portion of the heat pipe attached to the heat receiving plate includes one end of the heat pipe.
The thermoelectric generator according to claim 3.
請求項2に記載の熱電発電装置。 The heat pipe has a shape in which at least two bending directions having different bending directions exist between at least one end from a portion attached to the heat receiving plate,
The thermoelectric generator according to claim 2.
前記熱電変換モジュールの熱量が流入する第1の面と対向する第2の面を介して熱量が供給される受熱板と、
放熱用の複数の放熱板と、
前記複数の放熱板が取り付けられると共に、一方の端部を含む部分が前記受熱板に取り付けられ、前記一方の端部を含む部分から他方の端部にいくにつれて、前記熱電変換モジュールと前記受熱板が重ねられる方向上の前記受熱板からの長さが長くなる形状のヒートパイプと、
を有する冷却装置。 A cooling device used in a thermoelectric power generation unit including at least one thermoelectric conversion module that generates power according to a temperature difference,
A heat receiving plate to which heat is supplied via a second surface facing the first surface into which the heat of the thermoelectric conversion module flows,
A plurality of heat sinks for heat dissipation,
The thermoelectric conversion module and the heat receiving plate are attached to the heat receiving plate while the plurality of heat radiating plates are attached, and a portion including one end is attached to the heat receiving plate, and goes from the portion including the one end to the other end. A heat pipe in a shape in which the length from the heat receiving plate in the direction in which the heat receiving plates are stacked is increased,
A cooling device having:
前記熱電変換モジュールの熱量が流入する第1の面と対向する第2の面を介して熱量が供給される受熱板と、
放熱用の複数の放熱板と、
前記複数の放熱板、及び前記受熱板が取り付けられ、前記受熱板に取り付けられる部分から少なくとも一方の端部との間に、少なくとも2箇所の曲がる方向が異なる曲り部が存在する形状のヒートパイプと、
を有する冷却装置。 A cooling device used for a thermoelectric generation unit including at least one thermoelectric conversion module that generates power according to a temperature difference,
A heat receiving plate to which heat is supplied via a second surface facing the first surface into which the heat of the thermoelectric conversion module flows,
A plurality of heat sinks for heat dissipation,
The plurality of heat sinks, and the heat pipe is attached to the heat receiving plate, and at least one end from a portion attached to the heat receiving plate, at least two heat directions in a shape in which there is a bent portion having different bending directions. ,
A cooling device having:
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