JP6376511B2 - 熱電変換装置 - Google Patents
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(A)1mm2以下では前記占有面積率が25%以下、
(B)1〜2.25mm2では前記占有面積率が30%以下、
(C)2.25mm2超〜16mm2では前記占有面積率が50%以下、
(D)16mm2超では前記占有面積率が60%以下、
であることを特徴とする。
また、本発明では、請求項3に記載の発明において、前記電極には、一対の前記熱電変換素子が、該熱電変換素子の全周が該電極の表面に囲繞される状態に配置されていることを特徴とする(請求項4)。この形態によれば、熱電変換素子の全周が電極の表面に囲まれているため、熱電変換素子の全周から電極の熱が熱電変換素子に伝達される。この構成により、例えば熱電変換素子が電極の端部に設置されている場合と比べると電極から熱電変換素子に伝達される熱量は多く、したがって熱電変換素子に達する熱量の増大に伴う発電量の向上効果が一層促進される。
[1]熱電変換式発電装置の基本構成
図1〜図3は、本発明の熱電変換装置を適用した熱電変換式発電装置1を示している。この発電装置1は、全体が扁平な直方体状であって、図1および図2で上下方向(図1でZ方向)に離間して配設された低温室10と高温室20との間に、モジュール室3が形成された三層構造を有している。
以上が一実施形態に係る発電装置の基本構成であり、以下、本実施形態の熱電変換モジュール40を詳述する。
低温側の板部12および高温側の板部22においては、熱電変換モジュール40の熱電変換素子41が配列されている領域が熱交換領域とされる。この熱交換領域の面積は、各板部12,22で互いに等しく、上下対称の状態に位置している。
(A)1mm2以下では占有面積率が25%以下
(B)1〜2.25mm2では占有面積率が30%以下
(C)2.25mm2超〜16mm2では占有面積率が50%以下
(D)16mm2超では占有面積率が60%以下
これらの条件を満たす組み合わせは、表1の○で示すものが該当する。
隣接する熱電変換素子41を接続する電極45は、熱伝導率が50W/m・k以上の金属材料で形成されている。そのような金属材料としては、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等が挙げられる。
上記実施形態の熱電変換モジュール40では、熱電変換素子41間の間隔(素子間ギャップ)を従来と比較して大きく取った構成をポイントとしている。すなわち、熱交換領域に複数の熱電変換素子41を配列する場合、占有面積率を60%以下として比較的粗の状態で配列する。これにより、1つの熱電変換素子41に対する周囲の熱交換領域の面積が大きくなり、その熱交換領域の熱が熱電変換素子41に伝達される。熱電変換素子41が存在しない熱交換領域、すなわち素子間ギャップの面積の増大によって、熱交換領域から熱電変換素子41への熱の伝達効率が向上し、熱交換領域の熱交換量が増大する。
図6は、高温側の板部22の構成を変更した他の実施形態を示している。この場合、高温側の板部22の熱電変換モジュール40が配置される外面側に、熱伝導部50を形成している。熱伝導部50は、上記電極45と同様に、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の、熱伝導率が50W/m・k以上の金属材料で形成されている。熱伝導部50は、熱伝導率が高いものほど好ましいが、コスト等の他の要素を鑑みて適宜に選択される。熱伝導部50は、例えばそのような金属からなる薄板を高温側の板部22に張って固着することで形成されるが、形成の手段としてはこれに限定されない。高温側電極452は、熱伝導部50に対し絶縁された状態で固定される。
図1〜図3で示した構成の発電装置として、正方形状の断面積の一辺が2mm(2mmサイズと言う)の熱電変換素子を、素子間ギャップを4mmとした場合(実施例a)と、1mmとした場合(実施例b)に分け、熱交換領域の面積が13500mm2の管体の間に熱電変換素子を配列して熱電変換モジュールを搭載した。熱電変換素子の占有面積率および個数は、以下の通りである。
実施例a:「素子間ギャップが4mm」 占有面積率11.1%、 375個
実施例b:「素子間ギャップが1mm」 占有面積率44.4%、1500個
図7(a)、(b)は、それぞれ実施例a、bの発電装置において高温側の管体上に配列される熱電変換素子の粗密の状態を比較して示している。
熱電変換素子の搭載状態が図5に示した状態となる銅で形成した大型電極を用いて、素子間ギャップを1mm〜5mmの間で1mmおきに設定して熱電変換モジュールを構成した発電装置(実施例c)と、同じ素子間ギャップで、搭載する一対の熱電変換素子が端部に搭載される小型電極を用いて熱電変換モジュールを構成した発電装置(実施例d)を作製した。そして、これら発電装置の1つ当たりの熱電変換素子を貫通する熱量を調べた。図8は、実施例cの発電装置であって素子間ギャップが1mmの場合を1とした場合の、各実施例c、dの1つ当たりの熱電変換素子を貫通する熱量の増加率を示している。
上記実施例cおよび実施例dの発電装置について、熱交換領域の単位面積当たりの集熱効率を調べた。図9は、実施例cおよびdの発電装置の、素子間ギャップが1mmの場合を1とした場合の、熱交換領域の単位面積当たりの集熱効率を示している。
12…低温側の板部
22…高温側の板部
40…熱電変換モジュール
45…電極
41…熱電変換素子
50…熱伝導部
Claims (4)
- 互いに対向配置され、熱交換領域を有する高温側の板部および低温側の板部と、
前記高温側の板部および前記低温側の板部の間に配置され、該高温側の板部および該低温側の板部によって温度差が付与される熱電変換モジュールと、を備えた熱電変換装置であって、
前記熱電変換モジュールは、前記高温側の板部および前記低温側の板部のそれぞれに対向して配置される複数の平面視矩形状の電極と、これら電極間に配置される複数の平面視矩形状の熱電変換素子と、を有し、
前記熱電変換素子における総断面積の、前記熱交換領域に対し占める割合である占有面積率が、1つの前記熱電変換素子の断面積が1mm2以下では25%以下、1〜2.25mm2では30%以下、16mm2超では60%以下であり、
隣接する前記電極間のギャップが0.1〜5.0mmとされ、
前記電極1つにあたり2つの前記熱電変換素子がギャップGをおいて、かつ、その全周が該電極の表面に囲繞される状態に配置され、さらに、該熱電変換素子の前記ギャップG側以外の3辺と該電極の端縁までの距離が等距離であって距離Dとされ、該距離Dが前記ギャップGの1/2に設定されていることを特徴とする熱電変換装置。 - 前記高温側の板部および前記低温側の板部のうちの、少なくとも前記高温側の板部における前記熱電変換モジュール側の面と、前記電極との間に、熱伝導率が50W/m・k以上の材料からなる熱伝導部を設けたことを特徴とする請求項1に記載の熱電変換装置。
- 前記高温側の板部および前記低温側の板部のうちの、少なくとも前記高温側の板部に対向して配置される前記電極が、熱伝導率が50W/m・k以上の材料で構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の熱電変換装置。
- 前記電極には、一対の前記熱電変換素子が、該熱電変換素子の全周が該電極の表面に囲繞される状態に配置されていることを特徴とする請求項3に記載の熱電変換装置。
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