JP6450941B2

JP6450941B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP6450941B2
Application number: JP2015189596A
Authority: JP
Inventors: 弘幸榎並; 一隆安田; 久詞加納; 典昭湯川
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-09-28
Filing date: 2015-09-28
Publication date: 2019-01-16
Anticipated expiration: 2035-09-28
Also published as: JP2017069248A

Description

本発明は、熱電素子を用いた発電装置に関する。

従来、熱電素子を用いた熱電効果による発電装置が知られている。蒸気などの熱媒体が流通する既存の配管に、このような発電装置を配設することにより、従来廃棄していた熱エネルギーを電気エネルギーとして有効活用することができる。例えば、特許文献１および特許文献２には、熱電素子を用いた発電装置が開示されている。

特開２０１４−９００６０号公報特開２０１５−５６１５号公報

このような発電装置において費用効果を得るためには、設置コストを抑制するとともに、一定レベルの発電効率を得る必要があり、熱伝導ロスを低減する必要がある。しかし、熱伝導ロスを低減するためには、発電装置の設置工事が煩雑になり、設置コストが増大する。

本発明は、既存の流路に対して容易に設置することのできる発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の発電装置は、熱電変換素子を有する熱電変換器と、前記熱電変換器を収納する収納部と、媒体を流通させる内部流路と、を備え、前記収納部と前記内部流路とは一体に成形された部材からなる。

また、本発明の他の発電装置は、熱電変換素子を有する熱電変換器と、前記熱電変換器を収納する収納部と、放熱フィンと、を備え、前記収納部と前記放熱フィンとは一体に成形された部材からなる。

上記の構成を有することにより、本発明の発電装置は、既存の流路に対して容易に設置することができる。

本発明の実施の形態１の発電装置の（ａ）断面図、（ｂ）斜視図同発電装置の使用状態の断面図本発明の実施の形態２の発電装置の（ａ）断面図、（ｂ）斜視図同発電装置の使用状態の断面図本発明の実施の形態３の発電装置の（ａ）断面図、（ｂ）斜視図同発電装置の使用状態の断面図本発明の実施の形態４の発電装置の（ａ）断面図、（ｂ）斜視図同発電装置の使用状態の断面図熱電変換器を説明する斜視図熱電変換器を説明する斜視図

以下、実施の形態の説明において、共通する構成要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１における発電装置１１の断面図、図１（ｂ）は発電装置１１の斜視図である。実施の形態１において、発電装置１１は、熱電変換器１２と、熱電変換器１２を収納する収納部１３と、媒体を流通させるための内部流路１４と、熱電変換器１２を収納部１３から露出させる露出口１５とを有し、収納部１３と内部流路１４は一体に成形された部材１６からなる。

熱電変換器１２は、熱電変換モジュールとも呼ばれ、内部に熱電変換素子２１を有する。熱電変換器１２の一例を図９および図１０に示す。

図９は熱電変換器１２の外観を示す斜視図、図１０は熱電変換器１２の内部を示す斜視図である。図９および図１０において、熱電変換器１２は、一対の可撓性を有する基板２２の間に複数の熱電変換素子２１を有し、複数の熱電変換素子２１はそれぞれの基板２２の内側の表面に形成された電極２３により接続され、入出力ための一対のリード線２４に接続される。熱電変換素子２１および電極２３は、封止材２５を用いて一対の基板２２の間で封止される。図１０は、図９において上側の基板２２と封止材２５を取り除いたものである。熱電変換素子２１としては、例えば、Ｎ型半導体およびＰ型半導体が用いられる。熱電変換器１２は、上下の基板２２の上下に外部に面した主面２６を有し、両側の主面２６の温度差によって生じる熱起電力を利用して発電を行い、電力を出力することができる。図９および図１０に示した熱電変換器１２は、可撓性を有する基板２２に挟まれたフレキシブルな熱電変換器１２であるが、この構成は一例であり、他の公知の様々な構成を適用することができる。

収納部１３と内部流路１４は、一体に成形された部材１６の一部である。一体に成形された部材１６は、図１（ａ）の断面図に垂直な方向に、断面形状が略同一で長尺に作製されたものを必要寸法に切断して製作することができる。一体に成形された部材１６としては、アルミニウムを主成分とする金属の押し出し成形品を用いた。ここで、一体に成形された部材１６の押し出し成形方向は、図１（ａ）の断面図に垂直な方向である。発電装置１１の様々な設置条件に応じて一体に成形された部材１６の長さを設置現場で都度必要寸法に切断して使用することができるため、一体に成形された部材１６にかかる製造コストを大きく低減することができる。一体に成形された部材１６は、樹脂製であっても良いが、熱伝導性を向上することができることから金属製であることがより好ましく、部品としての製造コストを低減することができることから金属の押し出し成形品であることがさらに好ましい。さらに、材料コストを抑制し熱伝導性を向上するとともに耐腐食性を確保することができるため、一体に成形された部材１６は、アルミニウムを主成分とする金属の押し出し成形品であることが好ましい。一体に成形された部材１６に使用できる素材としては、アルミニウムを主成分とする金属のほかに、銅を主成分とする金属、あるいは、ステンレスなどの鉄を主成分とする金属を使用することができる。

収納部１３は、熱電変換器１２を収納する内部空間を有し、熱電変換器１２の両側の主面２６が接触する部分には薄肉部１７を有する。薄肉部１７を有することにより、収納部１３は所定レベルの力を加えることにより塑性変形することが可能であり、塑性変形することにより、対象物への密着性を向上し熱伝導効率を向上することができるため、発電効率を向上することができる。ここで、熱伝導効率を向上することができるとは、熱伝導ロスが少なく、熱エネルギーを有効に活用することができることをいう。薄肉部１７の厚みは、作業者の手の力で塑性変形できる程度であることが、作業性を向上することができるため好ましい。

収納部１３は、熱電変換器１２を露出させる露出口１５を有し、露出口１５から収納部１３と熱電変換器１２の隙間に熱伝導グリス（図示せず）を供給する。
露出口１５は、一体に成形された部材１６の押し出し成形方向（図５（ａ）の断面図に垂直な方向）に沿って設けることにより、一体に成形された部材１６が長尺なものであっても長尺方向の任意の位置に露出口１５を有することができる。露出口１５を有することにより、収納部１３の内部に熱伝導グリスを供給する作業を容易にすることができる。収納部１３の内面と熱電変換器１２の両側の主面２６との間に熱伝導グリスを供給することによって、収納部１３の内面と熱電変換器１２との間の熱伝導効率を向上することができ、発電効率を向上できる。また、露出口１５は、熱電変換器１２の電力出力配線（図示せず）の引き出し口として活用することができる。また、露出口１５は、発電装置１１の設置作業の際に、収納部１３の内部における熱電変換器１２の位置の調整を可能にし、作業性を向上する。

図２は発電装置１１を外部流路３１に適用したときの使用状態を示す断面図である。図２において、発電装置１１は、外部流路３１に対して、結束バンド３２と締結部材３３を用いて締結されている。

外部流路３１は、発電装置１１の外部の構造物であり、発電装置１１を設置する対象物である。既存の外部流路３１の表面から排出する排熱あるいは排冷気を電力として活用する目的で、外部流路３１の外面に発電装置１１を取り付ける。外部流路３１には、排熱源あるいは排冷源となる第１の媒体３４が流通している。これに対して、発電装置１１の内部流路１４には第２の媒体３５を流通させる。

第１の媒体３４と第２の媒体３５は、いずれか一方が高温媒体であり、他方が低温媒体である。高温媒体は、低温媒体よりも相対的に高温であり、例えば、スチーム、油、排気ガス、溶融金属などの媒体であってよい。低温媒体は、高温媒体よりも相対的に低温であり、例えば、冷却水、油、空気などの媒体であってよい。

発電装置１１を外部流路３１に取り付ける際に、結束バンド３２と締結部材３３を用いて所定の大きさの力で締結することにより、収納部１３の一部が薄肉部１７を有することによって、塑性変形して内部空間が潰れる。これによって、外部流路３１と収納部１３および収納部１３と熱電変換器１２との間の密着が高まって、外部流路３１と熱電変換器１２との間の熱伝導効率が向上し、発電効率が向上する。また、内部流路１４と熱電変換器１２との間の密着が高まって、内部流路１４と熱電変換器１２との間の熱伝導効率が向上し、発電効率が向上する。結束バンド３２と締結部材３３を用いて所定の大きさの力で締結する作業は、例えば、トルクレンチなどを用いて行なうことができる。このように発電装置１１は、外部流路３１に取り付ける作業を、容易に行なうことができると共に、作業者毎によるばらつきの少ない均質な作業品質を確保することができ、優れた発電効率を得ることができる。

発電装置１１を外部流路３１に取り付ける際に、発電装置１１が設けられる部分の外部流路３１の面が平坦であれば、熱電変換器１２としては、例えばセラミック基板を用いて構成されたリジッドなものを使用することができる。図２に示すように発電装置１１が設けられる部分の外部流路３１の面が曲面である場合には、発電装置１１と外部流路３１との間の密着を確保することができるため、熱電変換器１２はフレキシブルな熱電変換器であることが好ましい。
（実施の形態２）
図３（ａ）は、本発明の実施の形態２における発電装置４１の断面図、図３（ｂ）は発電装置４１の斜視図、図４は発電装置４１を外部流路３１に適用したときの使用状態を示す断面図である。

実施の形態２において、発電装置４１は、熱電変換器１２と、熱電変換器１２を収納する収納部１３と、媒体を流通させるための内部流路１４と、熱電変換器１２を収納部１３から露出させる露出口１５とを有し、収納部１３と内部流路１４は一体に成形された部材１６からなる。収納部１３において熱電変換器１２の両側の主面２６が接触する部分には薄肉部１７を有する。発電装置４１は、外部流路３１に対して、結束バンド３２と締結部材３３を用いて締結され、外部流路３１には、排熱源あるいは排冷源となる第１の媒体３４が流通し、内部流路１４には第２の媒体３５が流通する。

実施の形態２における発電装置４１が実施の形態１における発電装置１１と異なる点は、収納部１３において、熱電変換器１２の一方の主面２６に接する部分と、熱電変換器１２の他方の主面２６に接する部分との間に延長部１８を有する点である。このように、発電装置４１は延長部１８を有することにより、熱電変換器１２を経由しない内部流路１４と外部流路３１との間の熱伝導損失を低減することができ、発電効率をさらに向上することができる。

発電装置４１の延長部１８は、内部流路１４の外周に沿って設けたものである。延長部１８を内部流路１４の外周に沿って設けることにより、発電装置４１をコンパクトに構成することができるとともに、十分な長さの延長部１８を設けることが可能になり、発電効率をさらに向上することができる。
（実施の形態３）
図５（ａ）は、本発明の実施の形態３における発電装置５１の断面図、図５（ｂ）は発電装置５１の斜視図、図６は発電装置５１を外部流路３１に適用したときの使用状態を示す断面図である。

実施の形態３において、発電装置５１は、熱電変換器１２と、熱電変換器１２を収納する収納部１３と、媒体を流通させるための内部流路１４とを有し、収納部１３と内部流路１４は一体に成形された部材１６からなる。収納部１３において熱電変換器１２の両側の主面２６が接触する部分には薄肉部１７を有する。発電装置５１は、収納部１３において、熱電変換器１２の一方の主面２６に接する部分と、熱電変換器１２の他方の主面２６に接する部分との間に内部流路１４の外周に沿って設けられた延長部１８を有する。発電装置５１は、外部流路３１に対して、結束バンド３２と締結部材３３を用いて締結され、外部流路３１には、排熱源あるいは排冷源となる第１の媒体３４が流通し、内部流路１４には第２の媒体３５が流通する。

実施の形態３における発電装置５１が実施の形態２における発電装置４１と異なる点は、収納部１３において、熱電変換器１２の主面２６に接する部分に露出口１５を有さない点である。発電装置５１は、熱電変換器１２の主面２６に接する部分に露出口１５を有さないことにより、外部流路３１と熱電変換器１２との間の熱伝導効率を増加させることができ、発電効率を向上することができる。
（実施の形態４）
図７（ａ）は、本発明の実施の形態４における発電装置６１の断面図、図７（ｂ）は発電装置６１の斜視図、図８は発電装置６１を外部流路３１に適用したときの使用状態を示す断面図である。

実施の形態４における発電装置６１が実施の形態２における発電装置４１と異なる点は、内部流路１４の代わりに放熱フィン６２を有する点である。

実施の形態４において、発電装置６１は、熱電変換器１２と、熱電変換器１２を収納する内部空間を有する収納部１３と、放熱フィン６２と、熱電変換器１２を収納部１３から露出させる露出口１５とを備え、収納部１３と放熱フィン６２は一体に成形された部材６３からなる。また、収納部１３において、熱電変換器１２の一方の主面２６に接する部分と、熱電変換器１２の他方の主面２６に接する部分との間に延長部１８を有する。一体に成形された部材６３は、アルミニウムを主成分とする金属の押し出し成形品である。発電装置６１は、外部流路３１を流通する第１の媒体３４と放熱フィン６２との間の温度差を用いて熱電変換器１２に熱起電力を生じ、発電を行なう。

収納部１３は、熱電変換器１２の両側の主面２６が接触する部分に薄肉部１７を有する。発電装置６１を外部流路３１に取り付ける際に、結束バンド３２と締結部材３３を用いて所定の大きさの力で締結することにより、収納部１３が薄肉部１７を有することによって、塑性変形して内部空間が潰れる。これによって、外部流路３１と収納部１３および収納部１３と熱電変換器１２との間の密着が高まって、外部流路３１と熱電変換器１２との間の熱伝導効率が向上し、発電効率が向上する。また、放熱フィン６２と熱電変換器１２との間の密着が高まって、放熱フィン６２と熱電変換器１２との間の熱伝導効率が向上し、発電効率が向上する。

以上、実施の形態１〜３に示すように、発電装置１１、４１、５１は、熱電変換素子２１を有する熱電変換器１２と、熱電変換器１２を収納する収納部１３と、第２の媒体３５を流通させる内部流路１４とを備え、収納部１３と内部流路１４とは一体に成形された部材１６からなる。この構成を有することにより、発電装置１１、４１、５１は、既存の外部流路３１に対して容易に設置することができる。また、発電装置１１、４１、５１は、少ない部品点数で簡易な製造方法で製造することができるため経済的である。

また、実施の形態４に示すように、発電装置６１は、熱電変換素子２１を有する熱電変換器１２と、熱電変換器１２を収納する収納部１３と、放熱フィン６２とを備え、収納部１３と放熱フィン６２とは一体に成形された部材６３からなる。この構成を有することにより、発電装置６１は、既存の外部流路３１に対して容易に設置することができる。また、発電装置６１は、少ない部品点数で簡易な製造方法で製造できるため経済的である。

さらに、実施の形態１〜４に示すように、発電装置１１、４１、５１、６１は、外部流路３１に対して締結することにより、収納部１３の一部を塑性変形させて外部流路３１に密着させることが好ましい。これにより、発電装置１１、４１、５１、６１は、外部流路３１に対して優れた熱伝導効率を得ることができ、優れた発電効率を実現できる。

さらに、実施の形態１〜４に示すように、発電装置１１、４１、５１、６１において、一体に成形された部材６３は、アルミニウムを主成分とする金属の押し出し成形品であることが好ましい。これにより、発電装置１１、４１、５１、６１は、一体に成形された部材６３の材料コストおよび製造コストを抑制することができるとともに、熱伝導性能を向上し、さらに耐腐食性を確保することができる。

さらに、実施の形態１、２、４に示すように、発電装置１１、４１、６１において、収納部１３は、熱電変換器１２を露出させた露出口１５を有することが好ましい。これにより、収納部１３の内部に熱伝導グリスを供給する作業を容易にすることができ、収納部１３の内面と熱電変換器１２との間の熱伝導効率を向上し、発電効率を向上することができる。さらに、露出口１５は、熱電変換器１２の電力出力配線の引き出し口として活用することができ、また、露出口１５は、発電装置１１の設置作業の際に、収納部１３の内部における熱電変換器１２の位置の調整を可能にし、発電装置１１、４１、６１を設置する作業の作業性を向上する。

さらに、実施の形態１〜４に示すように、発電装置１１、４１、５１、６１において、熱電変換器１２はフレキシブルな熱電変換器１２であることが好ましい。これにより、外部流路３１の外面が曲面である場合にも、収納部１３を外部流路３１に対して密着させることができ、発電効率を確保することができる。

さらに、実施の形態１〜４に示すように、発電装置１１、４１、５１、６１において、収納部１３は、熱電変換器１２の主面２６に接する部分に薄肉部１７を有することが好ましい。これにより、収納部１３を容易に塑性変形させることが可能になり、外部流路３１と収納部１３および収納部１３と熱電変換器１２との間の密着を高めることができ、外部流路３１と熱電変換器１２との間の熱伝導効率が向上することができるため、発電効率が向上することができる。また、内部流路１４または放熱フィン６２と熱電変換器１２との間の密着を高めることができるため、熱伝導効率を向上させることができ、発電効率が向上する。

さらに、実施の形態２〜４に示すように、発電装置４１、５１、６１において収納部１３は、熱電変換器１２の一方の主面２６に接する部分と、熱電変換器１２の他方の主面２６に接する部分との間に延長部１８を有することが好ましい。これにより、熱電変換器１２を経由しない内部流路１４または放熱フィン６２と外部流路３１との間の熱伝導損失を低減することができ、発電装置４１、５１、６１の発電効率をさらに向上することができる。

さらに、実施の形態２〜４に示すように、発電装置４１、５１、６１において延長部１８は、内部流路１４の外周または放熱フィン６２の外周に沿って設けられることが好ましい。これにより、発電装置４１、５１、６１をコンパクトに構成することができるとともに、十分な長さの延長部１８を設けることが可能になり、発電効率をさらに向上することができる。

本発明の発電装置は、各種電子機器への電力供給手段として有用である。

１１、４１、５１、６１発電装置
１２熱電変換器
１３収納部
１４内部流路
１５露出口
１６、６３部材
１７薄肉部
１８延長部
２１熱電変換素子
２２基板
２３電極
２４リード線
２５封止材
２６主面
３１外部流路
３２結束バンド
３３締結部材
３４第１の媒体
３５第２の媒体
６２放熱フィン

Claims

熱電変換素子を有する熱電変換器と、
前記熱電変換器を収納する収納部と、
媒体を流通させる内部流路とを備え、
前記収納部と前記内部流路とは一体に成形された部材からなる発電装置。
熱電変換素子を有する熱電変換器と、
前記熱電変換器を収納する収納部と、
放熱フィンとを備え、
前記収納部と前記放熱フィンとは一体に成形された部材からなる発電装置。
前記一体に成形された部材は、アルミニウムを主成分とする金属の押し出し成形品からなる請求項１または請求項２に記載の発電装置。
前記収納部は、前記熱電変換器を露出させた露出口を有する、
請求項１または請求項２に記載の発電装置。
前記熱電変換器は、フレキシブルな熱電変換器である、
請求項１または請求項２に記載の発電装置。
前記収納部は、前記熱電変換器の主面に接する部分に薄肉部を設けた、
請求項１または請求項２に記載の発電装置。
前記収納部は、前記熱電変換器の一方の主面に接する部分と、前記熱電変換器の他方の主面に接する部分との間に延長部を有する請求項１または請求項２に記載の発電装置。
前記延長部は前記内部流路の外周または前記放熱フィンの外周に沿って設けられた請求項７に記載の発電装置。
熱電変換素子を有する熱電変換器と、
前記熱電変換器を収納する収納部と、
媒体を流通させる内部流路とを備えた発電装置において、
前記収納部と前記内部流路とは一体に成形された部材からなり、
前記発電装置を外部流路に対して締結することにより、
前記収納部の一部を塑性変形させて前記外部流路に密着させた発電装置。
熱電変換素子を有する熱電変換器と、
前記熱電変換器を収納する収納部と、
放熱フィンとを備えた発電装置において、
前記収納部と前記放熱フィンとは一体に成形された部材からなり、
前記発電装置を外部流路に対して締結することにより、
前記収納部の一部を塑性変形させて前記外部流路に密着させた発電装置。