JP2020010427A - 熱電発電ユニットおよび熱電発電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
熱電変換モジュールを複数用い、出力を直列または並列に接続して使用する場合、合成した出力は、直列接続であれば電流が最小のものに設定され、並列接続であれば電圧が最小のものに設定される。そこで、各熱電変換モジュールで発生される電流および電圧がなるべく同じになるようにすることで、発電効率を向上させることが望まれる。
また、この発明は、前記熱電発電ユニットを複数備えた熱電発電装置にある。
図1は、この発明の実施の形態1による熱電発電ユニットの斜視図である。(a)は熱電発電ユニット100の複合空気路体を取付けた場合の斜視図、(b)は複合空気路体を取付ける前の斜視図である。図1の(b)において、熱電変換モジュールHE1−HE3は、加熱用配管30に固定される高温側面と、高温側面と反対側の低温側面とを有する。加熱用配管30内には、熱媒が矢印Aの方向に流れている。熱電変換モジュールHE1−HE3は、加熱用配管30に高温側面が固定されて、加熱用配管30の長手方向に直線上に並んで設けられている。各熱電変換モジュールHE1−HE3の低温側面には、低温側面に下端が固定されて、低温側面に垂直な方向に延びる冷却装置CF1−CF3が設けられている。以下の説明では、冷却装置CF1−CF3として、冷却フィンを用いる場合を例示している。
第3の空気路13の断面積>第2の空気路12の断面積>第1の空気路11の断面積
第3の空気路13の圧力損失<第2の空気路12の圧力損失<第1の空気路11の圧力損失
の関係になる。
Ploss∝ν2
の関係式が成り立つ。また、3つの空気路を1つのファンで排気する場合、各空気路の圧力損失が等しくなるように各空気路に風が流れるので、圧力損失が小さい空気路の方が、圧力損失が大きい空気路よりも、風速は大きくなる。一方、冷却装置CF1−CF3の冷却効果は、風速が大きい程大きくなる。この結果、
第3の空気路13の風速>第2の空気路12の風速>第1の空気路11の風速
となり、
第3の冷却装置CF3の冷却効果>第2の冷却装置CF2の冷却効果>第1の冷却装置CF1の冷却効果
の関係となる。
冷却装置CF1−CF3の冷却効果が大きいと、放熱量が多く、周囲温度からの温度上昇を小さくできるので、熱電変換モジュールHE1−HE3の低温側の温度をより低くすることができる。
第1の空気路:吸気側断面形状 35mm×135mm(W1×H2)
排気側断面形状 65mm×60mm((W1+W2)×H1)
第2の空気路:吸気側断面形状 30mm×135mm(W2×H2)
排気側断面形状 30mm×135mm(W2×H2)
第3の空気路:吸気側断面形状 35mm×130mm(W1×L3)
排気側断面形状 35mm×135mm(W1×H2)
第1の空気路:吸気側断面形状 35mm×165mm(W1×H2)
排気側断面形状 55mm×30mm((W1+W2)×H1)
第2の空気路:吸気側断面形状 20mm×165mm(W2×H2)
排気側断面形状 20mm×165mm(W2×H2)
第3の空気路:吸気側断面形状 35mm×130mm(W1×L3)
排気側断面形状 35mm×165mm(W1×H2)
空気路1は、幅W1と高さH1で形状が決まる。
空気路2は、幅W2と高さH2で形状が決まる。
空気路3は、幅W1と長さL3で形状が決まる。
第3の空気路13の断面積>第2の空気路12の断面積>第1の空気路11の断面積
の関係にする目的で、第1の空気路11の断面積を小さくするためには、H1を小さくするとH2は大きくなり、第2の空気路12の断面積を小さくするためには、W2を小さくするので、複合空気路体10の外形寸法が小さくなる。例えば、空気路の断面積が等しくなるように設けられた複合空気路体から、CSbの効果が得られるように、断面積を変更する場合を説明する。
元の複合空気路体の外形 :W80mm×H210mm×L475mm
最適化した複合空気路体の外形:W70mm×H210mm×L475mm
図9は、この発明の実施の形態2による熱電発電装置の斜視図である。(a)は複合空気路体を取付けた場合の斜視図、(b)は複合空気路体を取付ける前の斜視図である。熱電発電装置1000は、内部に熱媒が流れる、長手方向と直交する断面、すなわち配管の断面が多角形である角柱形加熱用配管31と、複数の熱電発電ユニット130と、を備えている。角柱形加熱用配管31の一例として断面が四角形の四角柱形加熱用配管が示されている。
図10は、この発明の実施の形態3による熱電発電装置の斜視図である。(a)は複合空気路体を取付けた場合の斜視図、(b)は複合空気路体を取付ける前の斜視図である。さらに、図11は、複合空気路体10aの単体構成を示した図である。熱電発電装置1000aは、内部に熱媒が流れる、配管の断面が円形である円柱形加熱用配管32と、実施の形態1で説明した複数の熱電発電ユニット100と、を備えている。熱電発電ユニット100は、円柱形加熱用配管32の周面の周方向に沿って、例えば等間隔に、円柱形加熱用配管32の長手方向と熱電発電ユニット100の長手方向が合うように設けられている。なお実際には、熱電発電ユニット100を円柱形加熱用配管32に取付けるための作業用スペースとして、円柱形加熱用配管32の周方向のどこかに、熱電発電ユニット100を設置しない箇所を設ける。
図12は、この発明の実施の形態4による熱電発電装置を示す斜視図である。(a)は複合空気路体を取付けた状態の斜視図である。(b)は(a)の熱電発電装置の複合空気路体を抜き出して示した斜視図である。さらに、図13は、複合空気路体10bの単体構成を示した図である。図12の熱電発電装置1000bでは、図10の熱電発電装置1000aに対して、各熱電発電ユニット100の第2の空気路12の、第1の空気路11の側方を並行して延びる第1空気路部12X、および第3の空気路13の側方を並行して延びる第3空気路部12Yに関して、それぞれの空気路部の内部における空気の進行方向を長手方向と規定したときに、その長手方向と直交する方向における第2の空気路12の外形断面S12が、周方向の空間をより多く利用できるように、円柱形加熱用配管32の径方向の外側に向かって拡がる台形または三角形となる形状を有する。
Claims (10)
- 加熱用配管に固定される高温側面と前記高温側面と反対側の低温側面を有する、直線上に並んだ3つの熱電変換モジュールと、
前記各熱電変換モジュールの前記低温側面に下端が固定されて前記低温側面に垂直な方向に延びる3つの冷却装置と、
直線上に並んだ前記3つの冷却装置を並んだ方向に沿って空気を流して別々に冷却するための、それぞれの吸気口と排気口を有する3つの空気路が形成された、前記3つの冷却装置を格納した複合空気路体と、
を備えた熱電発電ユニット。 - 前記3つの空気路は、空気の下流側に配置した冷却装置の空気路程、断面積が大きい、請求項1に記載の熱電発電ユニット。
- 前記複合空気路体の外形寸法を大きくすることなく、前記外形寸法の外形断面積に対する前記空気路の断面積の比率を変えた、請求項2に記載の熱電発電ユニット。
- 前記3つの熱電変換モジュールは、直線上に順に並んだ第1から第3の熱電変換モジュールからなり、
前記3つの冷却装置は、前記第1から第3の熱電変換モジュールにそれぞれ固定された直線上に順に並んだ第1から第3の冷却装置からなり、
前記複合空気路体の前記3つの空気路は、前記第1から第3の冷却装置を冷却するそれぞれ前記第1から第3の空気路からなり、
前記第1の空気路は、前記第1の冷却装置側の端面に吸気口を有し、前記第1の冷却装置を収納し、前記第2および第3の空気路の下側を通って前記第3の冷却装置側の端面に排気口を有し、
前記第3の空気路は、前記第3の冷却装置の上部の面に吸気口を有し、前記第3の冷却装置を収納し、前記第3の冷却装置側の端面に排気口を有し、
前記第2の空気路は、前記第1の冷却装置側の端面に吸気口を有し、前記第1の空気路の側方を並行して延び、クランク状に折れ曲がって前記第2の冷却装置を収納し、前記第3の空気路の前記第1の空気路の側方の場合と反対側の側方を並行して延び、前記第3の冷却装置側の端面に排気口を有する、
請求項1から3までのいずれか1項に記載の熱電発電ユニット。 - 前記3つの空気路は、前記複合空気路体の排気側の端面にそれぞれ排気口を有し、前記排気側の端面に前記3つの空気路で共有する排気用ファン部を設けた、請求項1から4までのいずれか1項に記載の熱電発電ユニット。
- 内部に熱媒が流れる、長手方向と直交する断面が多角形である角柱形加熱用配管と、
請求項1から4までのいずれか1項に記載の熱電発電ユニットを、長手方向と直交する方向に複数並べて設け、さらに複数の前記熱電発電ユニットで共通の排気用ファン部を設けてなる、複数の熱電発電マルチユニットと、
を備え、
前記角柱形加熱用配管の少なくとも1つの側面に、前記角柱形加熱用配管の長手方向および長手方向と直交する方向の少なくとも一方に沿って、前記熱電発電マルチユニットを並べて設けられている熱電発電装置。 - 前記各熱電発電マルチユニットは、前記角柱形加熱用配管の長手方向と直交する方向の周囲一周に渡って延びて、前記熱電変換モジュールおよび前記冷却装置を前記角柱形加熱用配管の側面に押さえつける固定金具で固定され、前記熱電発電マルチユニットは、前記各複合空気路体と前記熱電変換モジュール上の前記冷却装置との間に前記固定金具を通す隙間ができるように形成されている、請求項6に記載の熱電発電装置。
- 内部に熱媒が流れる、長手方向と直交する断面が円形である円柱形加熱用配管と、
複数の請求項1から5までのいずれか1項に記載の熱電発電ユニットと、
を備え、
前記円柱形加熱用配管の長手方向の少なくとも1箇所に、周面の周方向に沿って前記複数の熱電発電ユニットが並べて設けられている熱電発電装置。 - 前記各熱電発電ユニットが、前記円柱形加熱用配管の長手方向と直交する方向の周囲一周に渡って延びて、前記熱電変換モジュールおよび前記冷却装置を前記円柱形加熱用配管の周面に押さえつける固定金具で固定され、前記熱電発電ユニットは、前記複合空気路体と前記熱電変換モジュール上の前記冷却装置との間に前記固定金具を通す隙間ができるように形成されている、請求項8に記載の熱電発電装置。
- 前記各熱電発電ユニットの空気路の内部における空気の進行方向を長手方向と規定したときに、前記長手方向と直交する方向における前記空気路の断面が、前記円柱形加熱用配管の径方向の内側に向かって幅が狭くなっている台形または三角形であり、前記熱電発電ユニットが、前記円柱形加熱用配管の周囲一周に渡って集積度を上げて設けられている、請求項8または9に記載の熱電発電装置。
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JP2000352313A (ja) * | 1999-06-09 | 2000-12-19 | Nissan Motor Co Ltd | 自動車用排熱発電装置 |
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