JP3425783B2 - 熱交換システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高温部と低温部との間
に熱交換器を介在させた熱交換システムに関する。
に熱交換器を介在させた熱交換システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種熱交換システムは高温部と
低温部との間に熱交換器として熱伝導率の高い導体を設
けて構築され、専ら前記導体の形状等を工夫し、効率よ
く高温部で熱を捕捉してそのエネルギーを低温部に輸送
することを目的としている。
低温部との間に熱交換器として熱伝導率の高い導体を設
けて構築され、専ら前記導体の形状等を工夫し、効率よ
く高温部で熱を捕捉してそのエネルギーを低温部に輸送
することを目的としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前記従来の熱交換シス
テムの場合、高温部から低温部に熱エネルギーを輸送す
るのみであり、しかも、その輸送方式が熱交換器として
の導体の物質，形状等に依存した受動的な方式であるた
め、とくに高温部が温度変化する排熱等を熱源とするよ
うなときに、高温部，低温部の温度状況に応じて熱輸送
能力を変えて高温部の熱エネルギーを有効に利用しつつ
低温部を温度の安定状態に維持したり所定温度に制御す
ることができず、熱エネルギーを高効率に利用できない
問題点がある。
テムの場合、高温部から低温部に熱エネルギーを輸送す
るのみであり、しかも、その輸送方式が熱交換器として
の導体の物質，形状等に依存した受動的な方式であるた
め、とくに高温部が温度変化する排熱等を熱源とするよ
うなときに、高温部，低温部の温度状況に応じて熱輸送
能力を変えて高温部の熱エネルギーを有効に利用しつつ
低温部を温度の安定状態に維持したり所定温度に制御す
ることができず、熱エネルギーを高効率に利用できない
問題点がある。
【０００４】本発明は、とくに温度変化が生じる高温部
の熱エネルギーを有効に利用しつつ低温部を温度の安定
状態に維持したり所望温度に制御しながら熱交換するこ
とができる新規で利用効率の高い熱交換システムを提供
することを目的とする。
の熱エネルギーを有効に利用しつつ低温部を温度の安定
状態に維持したり所望温度に制御しながら熱交換するこ
とができる新規で利用効率の高い熱交換システムを提供
することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明の熱交換システムにおいては、請求項１の
場合、高温部と低温部との間に熱交換器として熱電変換
素子を設け、前記変換素子のゼーベック係数が最大にな
る温度を、前記高温部の最高温度に一致させ、前記変換
素子により、前記高温部を流通する高温流体が最高温度
のときに最も効率よく熱エネルギーを電気エネルギーに
変換して前記高温部から前記低温部への熱輸送を制限
し、前記高温流体の温度が低下するにしたがって電気エ
ネルギーへの変換効率を低下して熱輸送の制限を緩和す
るようにする。
めに、本発明の熱交換システムにおいては、請求項１の
場合、高温部と低温部との間に熱交換器として熱電変換
素子を設け、前記変換素子のゼーベック係数が最大にな
る温度を、前記高温部の最高温度に一致させ、前記変換
素子により、前記高温部を流通する高温流体が最高温度
のときに最も効率よく熱エネルギーを電気エネルギーに
変換して前記高温部から前記低温部への熱輸送を制限
し、前記高温流体の温度が低下するにしたがって電気エ
ネルギーへの変換効率を低下して熱輸送の制限を緩和す
るようにする。
【０００６】また、請求項２の場合は、電気エネルギー
の取り出し量を調整する調整手段も設け、電気エネルギ
ーの取り出し量の調整により熱電変換素子の変換効率を
制御して低温部の温度を制御するようにする。
の取り出し量を調整する調整手段も設け、電気エネルギ
ーの取り出し量の調整により熱電変換素子の変換効率を
制御して低温部の温度を制御するようにする。
【０００７】さらに、請求項３の場合は、請求項１又は
２のシステムにおいて、高温部及び低温部が流体の輸送
を行うようなときに適するように、高温部と低温部とを
同心円状のパイプライン構造に形成する。
２のシステムにおいて、高温部及び低温部が流体の輸送
を行うようなときに適するように、高温部と低温部とを
同心円状のパイプライン構造に形成する。
【０００８】
【作用】前記のように構成された本発明の熱交換システ
ムの場合、高温部と低温部との間に熱交換器として熱電
変換素子を介在させるため、高温部の熱エネルギーは低
温部に輸送されるだけでなく、その一部が電気エネルギ
ーとして取り出される。
ムの場合、高温部と低温部との間に熱交換器として熱電
変換素子を介在させるため、高温部の熱エネルギーは低
温部に輸送されるだけでなく、その一部が電気エネルギ
ーとして取り出される。
【０００９】そして、請求項１の構成においては熱電変
換素子の熱電変換効率により、高温部，低温部間の温度
差にしたがって熱エネルギーの輸送能力が変化し、この
変化に連動して電気エネルギーの取り出し量も変化す
る。
換素子の熱電変換効率により、高温部，低温部間の温度
差にしたがって熱エネルギーの輸送能力が変化し、この
変化に連動して電気エネルギーの取り出し量も変化す
る。
【００１０】したがって、高温部と低温部との温度条件
に応じて輸送条件を変化させる能動的な熱輸送が行わ
れ、この結果、高温部の温度が変動しても、その変動が
緩和され、低温部は安定な熱エネルギーの供給によって
温度の安定な状態に維持され、同時にこの供給制御によ
り生じた熱エネルギーの余剰分は電気エネルギーとして
取り出され、熱エネルギーが効率よく有効に利用され
る。
に応じて輸送条件を変化させる能動的な熱輸送が行わ
れ、この結果、高温部の温度が変動しても、その変動が
緩和され、低温部は安定な熱エネルギーの供給によって
温度の安定な状態に維持され、同時にこの供給制御によ
り生じた熱エネルギーの余剰分は電気エネルギーとして
取り出され、熱エネルギーが効率よく有効に利用され
る。
【００１１】また、請求項２の構成においては、調整手
段により電気エネルギーの取り出し量を調整して前記の
熱電変換効率を制御し等価的に熱伝導を制御するため、
この制御により、熱エネルギーの輸送能力を意図的に調
整して低温部を所望の温度状態に自在に設定できる。
段により電気エネルギーの取り出し量を調整して前記の
熱電変換効率を制御し等価的に熱伝導を制御するため、
この制御により、熱エネルギーの輸送能力を意図的に調
整して低温部を所望の温度状態に自在に設定できる。
【００１２】さらに、請求項３のように高温部と低温部
とを同心円状のパイプライン構造に形成すると、両部が
流体を輸送する構成等のときに極めて好適である。
とを同心円状のパイプライン構造に形成すると、両部が
流体を輸送する構成等のときに極めて好適である。
【００１３】
【実施例】実施例について、図１ないし図１０を参照し
て説明する。 （第１の実施例）まず、第１の実施例について、図１な
いし図８を参照して説明する。図１において、１は高温
流体が矢印方向に通流する高温側ダクトであり、高温部
２を形成する。３は高温側ダクト１の下部に該ダクト１
に平行に設けられた低温側ダクトであり、低温流体が矢
印方向に通流し、低温部４を形成する。
て説明する。 （第１の実施例）まず、第１の実施例について、図１な
いし図８を参照して説明する。図１において、１は高温
流体が矢印方向に通流する高温側ダクトであり、高温部
２を形成する。３は高温側ダクト１の下部に該ダクト１
に平行に設けられた低温側ダクトであり、低温流体が矢
印方向に通流し、低温部４を形成する。
【００１４】５は高温部２と低温部４との間に矢印方向
に２列に配置された熱交換器としての複数の熱電変換素
子であり、それぞれ図２に示すように正孔が移動する円
柱状のｐ形半導体６と電子が移動する円柱状のｎ形半導
体７とを接合していわゆる逆Ｕ字形に形成され、両半導
体６，７のｐ−ｎ接合部８は高温側ダクト１の内部に露
出した状態で位置し、両半導体６，７の端部は高熱伝導
率の絶縁板９，１０を介して低温側ダクト３の上面外壁
に接着され、両ダクト１，３の支柱としても作用する。
に２列に配置された熱交換器としての複数の熱電変換素
子であり、それぞれ図２に示すように正孔が移動する円
柱状のｐ形半導体６と電子が移動する円柱状のｎ形半導
体７とを接合していわゆる逆Ｕ字形に形成され、両半導
体６，７のｐ−ｎ接合部８は高温側ダクト１の内部に露
出した状態で位置し、両半導体６，７の端部は高熱伝導
率の絶縁板９，１０を介して低温側ダクト３の上面外壁
に接着され、両ダクト１，３の支柱としても作用する。
【００１５】１１は第１列の各熱電変換素子５のｐ形半
導体６を正側取出電極１２に接続する正側リード線、１
３は第２列の各熱電変換素子５のｎ形半導体７を負側取
出電極１４に接続する負側リード線、１５は第１列の熱
電変換素子５のｎ形半導体７と第２列の熱電変換素子５
のｐ形半導体６とを接続して熱電変換素子５を２個ずつ
直列接続する複数の素子間リード線である。
導体６を正側取出電極１２に接続する正側リード線、１
３は第２列の各熱電変換素子５のｎ形半導体７を負側取
出電極１４に接続する負側リード線、１５は第１列の熱
電変換素子５のｎ形半導体７と第２列の熱電変換素子５
のｐ形半導体６とを接続して熱電変換素子５を２個ずつ
直列接続する複数の素子間リード線である。
【００１６】そして、高温側ダクト１を通流する高温流
体は例えば温度変化が激しい熱流体又は粒子や化学的に
活性な成分を含む処理が容易でない混相流体であり、こ
の高温流体の通流により高温部２の熱源は温度が変化す
る質の悪い熱源により形成される。
体は例えば温度変化が激しい熱流体又は粒子や化学的に
活性な成分を含む処理が容易でない混相流体であり、こ
の高温流体の通流により高温部２の熱源は温度が変化す
る質の悪い熱源により形成される。
【００１７】つぎに、各熱電変換素子５は高温部２で熱
を補捉してその熱エネルギーを低温部４に輸送し、同時
に、いわゆるゼーベック効果により熱エネルギーの一部
を電気エネルギーに変換して取り出す。
を補捉してその熱エネルギーを低温部４に輸送し、同時
に、いわゆるゼーベック効果により熱エネルギーの一部
を電気エネルギーに変換して取り出す。
【００１８】このエネルギー変換の変換効率には、つぎ
に説明するように温度依存性がある。いま、図３（ａ）
に示すｐ形半導体の棒状体１６，同図（ｂ）に示す金属
又はｎ形半導体の棒状体１７それぞれの一端を高温，他
端を低温に保つと、温度勾配による電子の熱拡散の移動
が生じる。
に説明するように温度依存性がある。いま、図３（ａ）
に示すｐ形半導体の棒状体１６，同図（ｂ）に示す金属
又はｎ形半導体の棒状体１７それぞれの一端を高温，他
端を低温に保つと、温度勾配による電子の熱拡散の移動
が生じる。
【００１９】この移動により高温側の熱エネルギーは低
温側に輸送され、同時に、正孔又は電子が低温側に移動
して高温側と低温側との間に熱起電力に基づく電位差が
生じる。なお、図３の（ａ），（ｂ）から明らかなよう
に、ｐ形半導体の場合は正孔が移動して高温側が負，低
温側が正になり、金属又はｎ形半導体の場合は電子が移
動して高温側が正，低温側が負になる。
温側に輸送され、同時に、正孔又は電子が低温側に移動
して高温側と低温側との間に熱起電力に基づく電位差が
生じる。なお、図３の（ａ），（ｂ）から明らかなよう
に、ｐ形半導体の場合は正孔が移動して高温側が負，低
温側が正になり、金属又はｎ形半導体の場合は電子が移
動して高温側が正，低温側が負になる。
【００２０】そして、図４に示すように棒状体１６，１
７の高温側端部を導体１８で結合し、両棒状体１６，１
７の低温側端部に負荷１９を接続すると、発電素子が形
成されて負荷１９に電流Ｉが流れ、熱エネルギーが電気
エネルギーに変換されて取り出される。なお、図４のＶ
は負荷１９の端子間の印加電圧（負荷電圧）である。
７の高温側端部を導体１８で結合し、両棒状体１６，１
７の低温側端部に負荷１９を接続すると、発電素子が形
成されて負荷１９に電流Ｉが流れ、熱エネルギーが電気
エネルギーに変換されて取り出される。なお、図４のＶ
は負荷１９の端子間の印加電圧（負荷電圧）である。
【００２１】また、導体１８で結合する代わりに、図１
の熱電変換素子５のように棒状体１６，１７をｐ−ｎ接
合しても同様の電気エネルギーの取り出しが行える。そ
して、前記のエネルギー変換の性能指数（Ｆｉｇｕｒｅ
ｏｆ Ｍｅｒｉｔ）Ｚはつぎの数１の式で示される。
の熱電変換素子５のように棒状体１６，１７をｐ−ｎ接
合しても同様の電気エネルギーの取り出しが行える。そ
して、前記のエネルギー変換の性能指数（Ｆｉｇｕｒｅ
ｏｆ Ｍｅｒｉｔ）Ｚはつぎの数１の式で示される。
【００２２】
【数１】Ｚ＝（Ｓ2 σ）／κ
【００２３】ここにおいて、Ｓは温度差１Ｋ（ケルビ
ン）当りの熱起電力（数百μＶ〜数ｍＶ／Ｋ）を示し、
ゼーベック係数と呼ばれる。また、σ，κは電気伝導
度，熱伝導率それぞれである。
ン）当りの熱起電力（数百μＶ〜数ｍＶ／Ｋ）を示し、
ゼーベック係数と呼ばれる。また、σ，κは電気伝導
度，熱伝導率それぞれである。
【００２４】また、各係数Ｓ，σ，κはいずれも物質固
有の値を示し、これらの値は１例としての電力用のβ−
ＦｅＳｉ2 熱電変換素子の特性を示した図５，図６，図
７からも明らかなように、温度依存性がある。したがっ
て、性能指数Ｚ自体温度依存性を有する。
有の値を示し、これらの値は１例としての電力用のβ−
ＦｅＳｉ2 熱電変換素子の特性を示した図５，図６，図
７からも明らかなように、温度依存性がある。したがっ
て、性能指数Ｚ自体温度依存性を有する。
【００２５】さらに、この性能指数Ｚを用いて示される
エネルギー変換効率（熱電変換効率）ηは、高温側の温
度をＴｈ，低温側の温度をＴｃとすると、動作温度領
域，温度差に基づき、つぎの数２の式に示すようにな
り、温度依存性を有する。
エネルギー変換効率（熱電変換効率）ηは、高温側の温
度をＴｈ，低温側の温度をＴｃとすると、動作温度領
域，温度差に基づき、つぎの数２の式に示すようにな
り、温度依存性を有する。
【００２６】
【数２】
η＝｛（Ｔｈ−Ｔｃ）／Ｔｈ｝・｛（Ｍ−１）／（Ｍ＋Ｔｃ／Ｔｈ）｝
但し、Ｍ＝｛１＋（Ｚ／２）・（Ｔｈ＋Ｔｃ）｝(1/2)
である。
である。
【００２７】そして、性能指数Ｚと変換効率ηとの関係
は、高温側の温度Ｔｈをパラメータとし、低温側の温度
Ｔｃを室温２７℃（３００Ｋ）とした場合、例えば図８
に示すようになる。この図８から明らかなように、性能
指数Ｚが低下する程、また、温度差が小さくなる程、変
換効率ηが低下して取り出される電気エネルギーの量が
減少する。
は、高温側の温度Ｔｈをパラメータとし、低温側の温度
Ｔｃを室温２７℃（３００Ｋ）とした場合、例えば図８
に示すようになる。この図８から明らかなように、性能
指数Ｚが低下する程、また、温度差が小さくなる程、変
換効率ηが低下して取り出される電気エネルギーの量が
減少する。
【００２８】そして、本発明はこの熱電変換効率の温度
依存性を熱輸送のバッファーに利用して高温部から低温
部に輸送する熱エネルギーを制御し、能動的な熱輸送を
実現すると同時に、この制御により生じる余剰の熱エネ
ルギーを電気エネルギーとして取り出すものである。
依存性を熱輸送のバッファーに利用して高温部から低温
部に輸送する熱エネルギーを制御し、能動的な熱輸送を
実現すると同時に、この制御により生じる余剰の熱エネ
ルギーを電気エネルギーとして取り出すものである。
【００２９】この目的を達成するため、図１の場合、各
熱電変換素子５は構成材料の選定等に基づき、熱電変換
効率の温度依存性が所望の特性に設定される。
熱電変換素子５は構成材料の選定等に基づき、熱電変換
効率の温度依存性が所望の特性に設定される。
【００３０】そして、この設定によりゼーベック係数Ｓ
が最大になる温度（図５では４００Ｋ）を高温部２の最
高温度に一致させ、各熱電変換素子５は、高温側ダクト
１を通流する高温流体が最高温度のときに最も効率よく
熱エネルギーを電気エネルギーに変換して高温部１から
低温部４への熱輸送を制限し、高温流体の温度が低下す
るにしたがって電気エネルギーへの変換効率を低下して
熱輸送の制限を緩和する。
が最大になる温度（図５では４００Ｋ）を高温部２の最
高温度に一致させ、各熱電変換素子５は、高温側ダクト
１を通流する高温流体が最高温度のときに最も効率よく
熱エネルギーを電気エネルギーに変換して高温部１から
低温部４への熱輸送を制限し、高温流体の温度が低下す
るにしたがって電気エネルギーへの変換効率を低下して
熱輸送の制限を緩和する。
【００３１】したがって、高温部１の温度変化が各熱電
変換素子５の熱電変換効率の温度依存性によって緩和さ
れ、高温部１の温度変化によらず、低温部４に安定した
一定の熱輸送が行われる。
変換素子５の熱電変換効率の温度依存性によって緩和さ
れ、高温部１の温度変化によらず、低温部４に安定した
一定の熱輸送が行われる。
【００３２】この結果、低温側のダクト３を通流する低
温流体は熱交換による温度変化が防止され、例えば熱交
換後も温度変化のない良質の定温流体に維持される。な
お、低温流体は種々の液体或いは気体であってよく、熱
交換後はその温度に適した用途に用いられる。
温流体は熱交換による温度変化が防止され、例えば熱交
換後も温度変化のない良質の定温流体に維持される。な
お、低温流体は種々の液体或いは気体であってよく、熱
交換後はその温度に適した用途に用いられる。
【００３３】つぎに、前記の緩和によって生じた熱エネ
ルギーの余剰分は、各熱電変換素子５により電気エネル
ギー（熱起電力）に変換されて取り出される。このと
き、各熱電変換素子５はｐ形半導体６の端部６’を正
（＋），ｎ形半導体７の端部７’を負（−）とする向き
の熱起電力が生じる。
ルギーの余剰分は、各熱電変換素子５により電気エネル
ギー（熱起電力）に変換されて取り出される。このと
き、各熱電変換素子５はｐ形半導体６の端部６’を正
（＋），ｎ形半導体７の端部７’を負（−）とする向き
の熱起電力が生じる。
【００３４】そして、各熱電変換素子５の熱起電力はそ
のまま取り出して並列に負荷給電してもよいが、図１の
場合は、リード線１１，１３，１５により各熱電変換素
子５が２個ずつ直列接続されて取出電極１２，１４から
負荷に給電される。なお、絶縁板９，１０は各熱電変換
素子５の端部６’，７’を低温側ダクト３の導体から電
気的に絶縁する。
のまま取り出して並列に負荷給電してもよいが、図１の
場合は、リード線１１，１３，１５により各熱電変換素
子５が２個ずつ直列接続されて取出電極１２，１４から
負荷に給電される。なお、絶縁板９，１０は各熱電変換
素子５の端部６’，７’を低温側ダクト３の導体から電
気的に絶縁する。
【００３５】そして、熱電変換素子５はｐ−ｎ接続によ
って発電する構成であるため、可動部がなく、構造が簡
単で小形かつ頑丈であり、信頼性が高く耐久性に富む。
したがって、高温部２の熱源が前記排熱流体や混相流体
等になる劣悪な使用条件下に極めて好適な熱交換システ
ムを提供することができる。
って発電する構成であるため、可動部がなく、構造が簡
単で小形かつ頑丈であり、信頼性が高く耐久性に富む。
したがって、高温部２の熱源が前記排熱流体や混相流体
等になる劣悪な使用条件下に極めて好適な熱交換システ
ムを提供することができる。
【００３６】ところで前記実施例ではダクト１，３の断
面形状を矩形としたが、それぞれ円形等の種々の形状で
あってよいのは勿論である。また、前記実施例では高温
部，低温部それぞれが１つの場合について説明したが、
例えば低温側ダクト３の下面側にも複数の熱電変換素子
を介してダクト１と同様の高温側ダクトを設け、低温部
４の上，下に高温部を配置した場合等にも適用すること
ができ、高温部及び低温部の数及びその組合せ等は実施
例に限定されるものではない。
面形状を矩形としたが、それぞれ円形等の種々の形状で
あってよいのは勿論である。また、前記実施例では高温
部，低温部それぞれが１つの場合について説明したが、
例えば低温側ダクト３の下面側にも複数の熱電変換素子
を介してダクト１と同様の高温側ダクトを設け、低温部
４の上，下に高温部を配置した場合等にも適用すること
ができ、高温部及び低温部の数及びその組合せ等は実施
例に限定されるものではない。
【００３７】
【００３８】つぎに、各熱電変換素子５は熱を効率よく
補捉するように例えば千鳥形又はランダムに配置しても
よいが、この場合は流体に対する抵抗が増大する点に考
慮する必要がある。また、各熱電変換素子５は実施例の
ようにｐ−ｎ接合部８で結合する代わりに、例えば図４
のように導体で結合して形成してもよい。
補捉するように例えば千鳥形又はランダムに配置しても
よいが、この場合は流体に対する抵抗が増大する点に考
慮する必要がある。また、各熱電変換素子５は実施例の
ようにｐ−ｎ接合部８で結合する代わりに、例えば図４
のように導体で結合して形成してもよい。
【００３９】さらに、高温部と低温部との間に設ける熱
電変換素子の材質及び数，形状等は実施例に限定される
ものではない。すなわち、熱電変換素子は遷移金属，半
導体或いはそれらの化合物により形成することができ
る。また、熱電変換素子は１個設けてもよく、複数個を
例えばダクト１，３間にブロック状に連続配列して設け
てもよい。
電変換素子の材質及び数，形状等は実施例に限定される
ものではない。すなわち、熱電変換素子は遷移金属，半
導体或いはそれらの化合物により形成することができ
る。また、熱電変換素子は１個設けてもよく、複数個を
例えばダクト１，３間にブロック状に連続配列して設け
てもよい。
【００４０】（第２の実施例）つぎに、第２の実施例に
ついて、図９を参照して説明する。図９において、図１
と同一記号は同一もしくは相当するものを示し、図１と
異なる点はつぎの（ア）〜（オ）の点である。
ついて、図９を参照して説明する。図９において、図１
と同一記号は同一もしくは相当するものを示し、図１と
異なる点はつぎの（ア）〜（オ）の点である。
【００４１】（ア）高温部２と低温部４との間に複数の
熱電変換素子５を１列に配置し、各変換素子５のｐ形半
導体６とｎ形半導体７とを高温側ダクト１の底面導体
１’により結合した点。 （イ）低温部４を流体の入口及び出口で結合された分流
用の正極ダクト３ｐ，負極ダクト３ｎにより形成した
点。
熱電変換素子５を１列に配置し、各変換素子５のｐ形半
導体６とｎ形半導体７とを高温側ダクト１の底面導体
１’により結合した点。 （イ）低温部４を流体の入口及び出口で結合された分流
用の正極ダクト３ｐ，負極ダクト３ｎにより形成した
点。
【００４２】（ウ）正極ダクト３ｐ，負極ダクト３ｎそ
れぞれの入口端部，出口端部に枠状の電気的絶縁部１６
を設け、両ダクト３ｐ，３ｎそれぞれの電気的絶縁部１
６により区切られた導体の上面外壁３ｐ’，３ｎ’に各
熱電変換素子５の端部６’，７’を直接立設した点。
れぞれの入口端部，出口端部に枠状の電気的絶縁部１６
を設け、両ダクト３ｐ，３ｎそれぞれの電気的絶縁部１
６により区切られた導体の上面外壁３ｐ’，３ｎ’に各
熱電変換素子５の端部６’，７’を直接立設した点。
【００４３】（エ）上面外壁３ｐ’，３ｎ’に接続され
た正，負リード線１７，１８により各熱電変換素子５の
電気エネルギーを取り出し、このエネルギーを取り出し
量の調整手段を形成する帰還制御形の負荷調整器１９を
介して負荷に給電する点。
た正，負リード線１７，１８により各熱電変換素子５の
電気エネルギーを取り出し、このエネルギーを取り出し
量の調整手段を形成する帰還制御形の負荷調整器１９を
介して負荷に給電する点。
【００４４】（オ）正極ダクト３ｐの外壁又は内部に配
置した熱電対等の温度センサ（図示せず）の温度情報出
力を増幅器２０を介して負荷調整器１９に帰還制御信号
として供給し、電気エネルギーの取り出し量を低温部４
の温度により帰還制御して自動調整する点。
置した熱電対等の温度センサ（図示せず）の温度情報出
力を増幅器２０を介して負荷調整器１９に帰還制御信号
として供給し、電気エネルギーの取り出し量を低温部４
の温度により帰還制御して自動調整する点。
【００４５】そして、前記（ア）〜（ウ）の構成にした
ため、各熱電変換素子５を図１の端部６’，７’毎の絶
縁板９，１０を省いて高温部１と低温部４との間に介在
させることができ、とくに、熱電変換素子５を多数設け
るときに容易に形成できる等の利点がある。
ため、各熱電変換素子５を図１の端部６’，７’毎の絶
縁板９，１０を省いて高温部１と低温部４との間に介在
させることができ、とくに、熱電変換素子５を多数設け
るときに容易に形成できる等の利点がある。
【００４６】つぎに、前記（エ），（オ）の構成にした
ため、負荷調整器１９は低温部４の検出温度と設定温度
との誤差に応じて例えば内部の負荷整合回路の整合定数
を可変する。
ため、負荷調整器１９は低温部４の検出温度と設定温度
との誤差に応じて例えば内部の負荷整合回路の整合定数
を可変する。
【００４７】この可変により各熱電変換素子５から取り
出される電気エネルギーの量が調整され、この調整によ
り等価的に各熱電変換素子５の熱電変換効率が制御され
る。
出される電気エネルギーの量が調整され、この調整によ
り等価的に各熱電変換素子５の熱電変換効率が制御され
る。
【００４８】この制御により高温部２から低温部４に輸
送される熱エネルギーの量が調整されて低温部４の温度
が設定温度に自動制御される。したがって、いわゆる帰
還制御により、低温部４の変換後の温度を所望の温度に
自動設定でき、熱輸送のバッファーとしての作用が一層
能動的になる利点がある。
送される熱エネルギーの量が調整されて低温部４の温度
が設定温度に自動制御される。したがって、いわゆる帰
還制御により、低温部４の変換後の温度を所望の温度に
自動設定でき、熱輸送のバッファーとしての作用が一層
能動的になる利点がある。
【００４９】そして、前記実施例では帰還制御により自
動的に温度制御するようにしたが、用途によっては、例
えば温度センサ，増幅器２０を省き、手動操作で温度制
御するようにしてもよい。また、ダクト１，３ｐ，３ｎ
の断面形状，高温部，低温部の数及び熱電変換素子の材
質，数，形状等は第１の実施例で説明したように実施例
に限定されるものではない。
動的に温度制御するようにしたが、用途によっては、例
えば温度センサ，増幅器２０を省き、手動操作で温度制
御するようにしてもよい。また、ダクト１，３ｐ，３ｎ
の断面形状，高温部，低温部の数及び熱電変換素子の材
質，数，形状等は第１の実施例で説明したように実施例
に限定されるものではない。
【００５０】（第３の実施例）つぎに、第３の実施例に
ついて、図１０を参照して説明する。同図において、図
１と同一符号は同一もしくは相当するものを示し、図１
と異なる点は、高温部２，低温部４を同心円状の高温側
ダクト１’，低温側ダクト３’により、低温部４を外側
とする同心円状のパイプライン構造に形成した点であ
る。なお、図１０においては、各熱電変換素子５の電気
エネルギーの取り出しの結線等は省略されている。
ついて、図１０を参照して説明する。同図において、図
１と同一符号は同一もしくは相当するものを示し、図１
と異なる点は、高温部２，低温部４を同心円状の高温側
ダクト１’，低温側ダクト３’により、低温部４を外側
とする同心円状のパイプライン構造に形成した点であ
る。なお、図１０においては、各熱電変換素子５の電気
エネルギーの取り出しの結線等は省略されている。
【００５１】そして、低温部４を外側にした同心円状の
パイプライン構造であるため、高温部２，低温部４の流
体を常温環境下で長距離輸送するような場合に好適であ
る。
パイプライン構造であるため、高温部２，低温部４の流
体を常温環境下で長距離輸送するような場合に好適であ
る。
【００５２】なお、輸送条件によっては高温部２を外側
にした同心円状のパイプライン構造にしてもよい。ま
た、図９の負荷調整器１９等の電気エネルギーの取り出
し量の調整手段を設けてもよいのは勿論である。
にした同心円状のパイプライン構造にしてもよい。ま
た、図９の負荷調整器１９等の電気エネルギーの取り出
し量の調整手段を設けてもよいのは勿論である。
【００５３】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、以下に記載する効果を奏する。高温部２と
低温部４との間に熱交換器として熱電変換素子５を介在
させたため、高温部２の熱エネルギーは低温部４に輸送
されるだけでなく、その一部が電気エネルギーとして取
出される。
ているため、以下に記載する効果を奏する。高温部２と
低温部４との間に熱交換器として熱電変換素子５を介在
させたため、高温部２の熱エネルギーは低温部４に輸送
されるだけでなく、その一部が電気エネルギーとして取
出される。
【００５４】そして、請求項１の場合、熱電変換素子５
の熱電変換効率により、高温部２，低温部４間の温度差
にしたがって熱エネルギーの輸送能力が変化し、この変
化に連動して電気エネルギーの取り出し量も変わる。
の熱電変換効率により、高温部２，低温部４間の温度差
にしたがって熱エネルギーの輸送能力が変化し、この変
化に連動して電気エネルギーの取り出し量も変わる。
【００５５】したがって、高温部２と低温部４との温度
条件に応じて輸送能力が変わる能動的な熱輸送を行うこ
とができ、この結果、高温部２の温度が変動してもその
変動が熱電変換素子５によって緩和され、低温部４に安
定な一定量の熱エネルギーを供給して低温部４を温度の
安定な状態に維持しつつ熱交換することができ、同時
に、熱輸送の能動的変化に伴って生じた余剰の熱エネル
ギーを電気エネルギーとして取り出すことができ、とく
に温度変化が生じる高温部２の熱エネルギーを無駄なく
高効率に利用する新規な熱変換システムを提供すること
ができる。
条件に応じて輸送能力が変わる能動的な熱輸送を行うこ
とができ、この結果、高温部２の温度が変動してもその
変動が熱電変換素子５によって緩和され、低温部４に安
定な一定量の熱エネルギーを供給して低温部４を温度の
安定な状態に維持しつつ熱交換することができ、同時
に、熱輸送の能動的変化に伴って生じた余剰の熱エネル
ギーを電気エネルギーとして取り出すことができ、とく
に温度変化が生じる高温部２の熱エネルギーを無駄なく
高効率に利用する新規な熱変換システムを提供すること
ができる。
【００５６】また、請求項２の場合、調整手段（負荷調
整器１９）により電気エネルギーの取り出し量を調整し
て熱電変換素子５の熱電変換効率を制御するため、この
制御により、熱エネルギーの輸送能力を意図的に調整し
て低温部４を所望の温度状態に自在に設定することで
き、請求項１の場合よりさらに積極的に能動的な熱輸送
を行うことができる。
整器１９）により電気エネルギーの取り出し量を調整し
て熱電変換素子５の熱電変換効率を制御するため、この
制御により、熱エネルギーの輸送能力を意図的に調整し
て低温部４を所望の温度状態に自在に設定することで
き、請求項１の場合よりさらに積極的に能動的な熱輸送
を行うことができる。
【００５７】さらに、請求項３の場合、高温部２と低温
部４とを同心円状のパイプライン構造に形成したため、
高温部２，低温部４が流体を輸送する構成等のときに極
めて好適な構成で請求項１又は２と同様の効果を得るこ
とができる。
部４とを同心円状のパイプライン構造に形成したため、
高温部２，低温部４が流体を輸送する構成等のときに極
めて好適な構成で請求項１又は２と同様の効果を得るこ
とができる。
【図１】本発明の熱交換システムの１実施例の構成図で
ある。
ある。
【図２】図１の熱電変換素子の正面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は熱起電力の発生の説明図であ
る。
る。
【図４】熱電変換素子の動作原理の説明図である。
【図５】熱電変換素子のゼーベック係数の１例の温度特
性図である。
性図である。
【図６】熱電変換素子の電気伝導度の１例の温度特性図
である。
である。
【図７】熱電変換素子の熱伝導率の１例の温度特性図で
ある。
ある。
【図８】熱電変換素子のエネルギー変換の性能指数と変
換効率との関係図である。
換効率との関係図である。
【図９】本発明の第２の実施例の構成図である。
【図１０】本発明の第３の実施例の構成図である。
２ 高温部
４ 低温部
５ 熱電変換素子
１９ 電気エネルギーの取り出し量の調整手段としての
負荷調整器
負荷調整器
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平３−155376（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 35/30
Claims (3)
- 【請求項１】 高温部と低温部との間に熱交換器として
熱電変換素子を設け、前記変換素子のゼーベック係数が
最大になる温度を、前記高温部の最高温度に一致させ、
前記変換素子により、前記高温部を流通する高温流体が
最高温度のときに最も効率よく熱エネルギーを電気エネ
ルギーに変換して前記高温部から前記低温部への熱輸送
を制限し、前記高温流体の温度が低下するにしたがって
電気エネルギーへの変換効率を低下して熱輸送の制限を
緩和するようにしたことを特徴とする熱交換システム。 - 【請求項２】 電気エネルギーの取り出し量を調整する
調整手段を設け、前記取り出し量の調整により熱電変換
素子の変換効率を制御して低温部の温度を制御するよう
にしたことを特徴とする請求項１記載の熱交換システ
ム。 - 【請求項３】 高温部と低温部とを同心円状のパイプラ
イン構造に形成したことを特徴とする請求項１又は２記
載の熱交換システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13121393A JP3425783B2 (ja) | 1993-05-07 | 1993-05-07 | 熱交換システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13121393A JP3425783B2 (ja) | 1993-05-07 | 1993-05-07 | 熱交換システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06318737A JPH06318737A (ja) | 1994-11-15 |
| JP3425783B2 true JP3425783B2 (ja) | 2003-07-14 |
Family
ID=15052690
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13121393A Expired - Fee Related JP3425783B2 (ja) | 1993-05-07 | 1993-05-07 | 熱交換システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3425783B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010219255A (ja) * | 2009-03-16 | 2010-09-30 | Yanmar Co Ltd | 熱電発電装置 |
| JP5786435B2 (ja) * | 2011-04-28 | 2015-09-30 | Ｊｆｅスチール株式会社 | 熱電発電装置およびそれを用いた熱電発電方法 |
| JP5736938B2 (ja) * | 2011-04-28 | 2015-06-17 | Ｊｆｅスチール株式会社 | 熱電発電装置およびそれを用いた熱電発電方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2670366B2 (ja) * | 1989-11-09 | 1997-10-29 | 日本原子力発電株式会社 | 熱電発電素子 |
-
1993
- 1993-05-07 JP JP13121393A patent/JP3425783B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06318737A (ja) | 1994-11-15 |
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