JP6633078B2 - 熱電セル配列の周期的動作のための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に係る熱電セル配列の周期的動作のための方法、及び、この目的のために提供される請求項５に係る装置に関する。

熱電セル配列が知られている。これらの装置は、熱を電気エネルギーに変換するために使用される。例えば、熱電材料において一定の温度勾配により電圧が生成されるゼーベック効果とは対照的に、熱電セルにおける電圧の生成は、セルの温度を経時的に変化させることによって行われる。そのような複数のセルを相互に接続してバッテリ装置を形成してもよい。そのようなバッテリ装置では、温度変化によって電圧が生成される。したがって、熱電セルを周期的な動作モードによって特徴付けることができる。

そのような周期的なプロセスの性能は、熱電セルで温度を変えるときに必要な熱輸送によって制限される。更に、そのようなセルの大部分は、比較的高い比熱容量を有する電解質系に基づく。したがって、熱電セルの温度変化を実施するために僅かでない熱量が必要とされる。更に、熱電セル配列が各半段階で必然的に冷却されなければならず、それにより、その後の加熱段階で電荷が再び除去され得る。これにより、プロセス全体の効率が大幅に低下する。そのような熱電セルを電気エネルギーの生成のために使用するためには、温度変化を効果的に行わなければならない。加熱コイル又は圧縮冷却ユニットなどの従来の加熱又は冷却システムは、絶え間なく動作するように設計されるとともに、電気エネルギーの絶え間ない供給も必要とする。熱電セルを加熱するために、原理的には、例えば低温プラントからの廃熱を使用することもできる。しかしながら、それは、セルの効果的な冷却に適した温度低下を欠く。

したがって、本発明の目的は、熱電セル配列を効率的に動作させることができる方法及び装置を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する熱電セル配列の方法によって、及び、請求項５の特徴を有するハーベスタ装置を伴う装置態様に関して達成される。

本発明によれば、熱電セル配列を周期的に動作させるための方法は、熱電セル配列の温度を定期的に変えることによって行われ、この場合、熱電セル配列は、周期的に動作される収着ヒートポンプに熱的に結合される。以下のプロセスステップが周期的に行われる。

最初に、熱電セル配列と収着ヒートポンプの低温側との熱的結合が冷却段階中に行われる。第２の方法セクションでは、熱電セル配列と収着ヒートポンプの高温側との熱的結合が加熱段階中に行われる。その後、プロセスは最初のプロセスステップに戻る。

したがって、本発明によれば、方法は、熱電セル配列を加熱及び冷却するための収着ヒートポンプを使用して、収着ヒートポンプにより熱電セルを周期的に加熱及び冷却し、それにより、セルの必要な温度変化をもたらし、したがって、見かけ上連続的な方法でセルから交流電圧の形態で電気エネルギーを引き出すことができるようにするという考えに基づく。

したがって、本発明によれば、熱電セル配列に収着ヒートポンプの作業サイクルを行う。収着ヒートポンプによる温度変化の実現により、熱電セルの温度変化が比較的短時間で成功する。加えて、収着ヒートポンプそれ自体が電気エネルギーの付加的な供給を必要としない。また、収着ヒートポンプと熱電セル配列との組合せの特有の利点は、特に、両方の構成要素が周期的に動作されるという事実によってもたらされる。セル配列に供給されてそこから除去されるべき熱エネルギーは、収着ヒートポンプによって送り込まれ又は送り出され、この場合、セルの交互の温度レベルを既存の低温熱からヒートポンプ効果によって最適にもたらすこともできる。

方法の１つの実施形態において、収着ヒートポンプは、切換ユニットを介して外部加熱リザーバ又は外部冷却リザーバに周期的に結合される。これと関連して、収着ヒートポンプは、切換ユニットの切り換え状態に応じて、周期的な高温側又は低温側として作用する加熱冷却要素を含む。加熱冷却要素は、熱的結合により熱電セル配列の温度変化をもたらす。

そのような方法構成により、プロセスシーケンスは、特に熱電セル配列と収着ヒートポンプとの熱接触に関してかなり単純化される。セル配列は、ここでは１つの同じプロセス構成要素によって周期的に加熱又は冷却される。

熱電セル配列と収着ヒートポンプとの間の熱的結合は、第１の実施形態では、加熱回路又は冷却回路として周期的に作用する熱伝達媒体回路を介して行われる。

熱伝達媒体回路は、ヒートパイプ、特にヒートパイプ配列の形態を成す構成で動作される。この場合には、熱伝達媒体の蒸発及び凝縮が閉じられた管内で行われ、それにより、熱が蒸発熱として吸収され、又は、熱が凝縮熱として伝達され、したがって、熱輸送が行われる。

他の実施形態では、熱電セル配列と収着ヒートポンプとの間の熱的結合が直接的な固体伝導熱接触によって行われる。

装置の側面では、熱電セル配列によって電気エネルギーを得るためのハーベスタ装置であって、熱電セル配列が収着ヒートポンプとの熱的結合を有し、収着ヒートポンプの作業サイクルのサイクルで起こる温度変化を熱的結合によって熱電セル配列にもたらすことができる、ハーベスタ装置が提供される。

１つの実施形態において、収着ヒートポンプは、切換装置を介して外部熱源又は外部ヒートシンクに周期的に接続され得る吸着器と、蒸発器及び凝縮器として周期的に動作可能な加熱冷却要素とを有し、加熱冷却要素が熱電セル配列に熱的に結合される。

１つの実施形態において、熱電セル配列と加熱冷却要素との間の熱的結合は、熱電セル配列を加熱冷却要素に直接に接続する熱伝導締結として設計される。そのような構成では、セル配列を加熱冷却要素に高い度合いまで構造的に組み込むことができる。

更なる実施形態では、熱電セル配列と加熱冷却要素との間の熱的結合が熱伝達媒体回路によって形成される。前記熱的結合は、特に、ヒートパイプの形態で、とりわけヒートパイプ配列の形態で設計され得る。

１つの実施形態では、外部加熱リザーバが廃熱源又は熱収集器である。

熱電セル配列の質量に関連する収着ヒートポンプの冷却能力は、特に４０〜１２０ｋＪ／ｋｇ、好ましくは６０〜１００ｋＪ／ｋｇである。収着ヒートポンプがいずれの場合にも２つの熱電セル配列と協働することが想定し得る。

以下、典型的な実施形態に関連して、本発明に係る方法及び本発明に係る装置について更に詳しく説明する。図１〜図５は例示の目的を果たす。同じ参照番号は、同じ又は等価な部分のために使用される。

加熱段階中の収着ヒートポンプと熱電セルとの間の基本的なプロセスシーケンスを示す。 冷却段階中の収着ヒートポンプと熱電セルとの間の基本的なプロセスシーケンスを示す。 典型的な回路図を示す。 収着ヒートポンプ及び熱電セルの一体化された構成の概略図を示す。 一体化されたハーベスタ装置の更なる実施形態の概略図を示す。

図１及び図２は、本発明に係る作業サイクルの加熱段階中及び冷却段階中の典型的なプロセスシーケンスを示す。このプロセスは、熱電セル配列１と収着ヒートポンプ２との間で行われる。この場合、収着ヒートポンプは、廃熱Ｑ_０の供給によって駆動される。これは、低温範囲で動作する収着ヒートポンプに関係している。第１の半サイクルにおいて、収着ヒートポンプは廃熱Ｑ_０を受ける。この吸収された熱は、収着ヒートポンプ２の高温側ＷＳで部分的に放出され、それにより、熱電セル配列１を特定の温度Ｔ_１まで加熱するのに役立つ。その後の第２の半サイクルにおいて、ヒートポンプは、廃熱を再冷却装置へ伝えて、その冷却側ＫＳを介して熱電加熱セル配列から更なる熱量Ｑ_ＫＵｈｌを受ける。これは、廃熱Ｑ_０と共に排熱Ｑ_ａｂとして冷却リザーバへ排出される。この場合、熱電セル配列の温度は、初期温度Ｔ_１から、このときには更に低い温度Ｔ_２まで下げられる。この温度低下中、熱電セル内で電荷分離が行われ、それにより、熱電セル配列の端子３で電圧を取り出すことができる。

この第２の半サイクルには、廃熱Ｑ_０が再び廃熱源から収着ヒートポンプ２によって取り込まれるという点で、再び第１の半サイクルが続く。このとき、熱電セル配列は、収着ヒートポンプ２の高温側ＷＳと再び熱接触する。その結果、セル配列内の温度が温度Ｔ_２から再びより高い温度Ｔ_１まで上昇する。この温度上昇は、このとき、熱電セル内で新たな電荷分離をもたらし、それにより、このときには、電圧を、しかしながら今度は反対の接続極性を伴って、セル配列の端子３で再び引き出すことができる。結果として、第１の半サイクルは、このとき、熱電セルで電気エネルギーも与える。記載されたシーケンスは、その後、第２の半サイクルで所望の回数だけ継続される。したがって、熱電セル配列は、半サイクルごとに交流電圧を放出する。

この方法を行うための構成の典型的な回路図が図３に示される。この回路図は、その電気接続部３を有する熱電セル配列１と収着ヒートポンプ２とを含む。これは、制御弁４ａ，４ｂから成る切換装置４を介して加熱リザーバ５及び冷却リザーバ６に結合される。廃熱源が加熱リザーバとして特に適しており、この場合、冷却リザーバは、例えば、周囲空気との熱交換器を形成する。収着ヒートポンプ２とリザーバとの間の熱輸送は、対応する線によって図示される切換式熱伝達媒体回路によって行われる。

弁４ａ，４ｂと熱伝達媒体回路内を循環する熱伝達媒体とを介して、リザーバ５，６が収着ヒートポンプ内の吸着器７と交互に熱接触される。適用される温度に応じて、これは、収着ヒートポンプ内に含まれる作動媒体の脱離又は吸着を引き起こす。脱離プロセス及び吸着プロセスの過程で、作動媒体は、凝縮器及び蒸発器として同時に作用する加熱冷却要素８で凝縮され、或いは、この要素によって凝縮状態から元の気相へと転移される。凝縮中に放出される熱又は作動媒体の蒸発中に吸収される熱は、熱的結合９を介して熱電セル配列１に供給され又は回収される。結果として、前述の温度変化が熱電セル配列内でもたらされ、それにより、最終的に前述の周期的な電気的交流電圧が端子３でもたらされる。

したがって、この構成において、加熱冷却要素８は、プロセスシーケンスの対応する半段階に応じて、収着ヒートポンプ２の高温側及び低温側の両方を形成する。そのため、収着ヒートポンプと熱電セル配列との間の熱的結合は非常に簡単である。この例では、収着ヒートポンプと熱電セル配列との間の熱的結合のために、閉じられた熱伝達媒体回路が使用される。熱電セル配列に供給される熱又は熱電セル配列から引き出される熱は、熱電セル配列に組み込まれる熱交換器１０を介して熱電セル配列の構成要素と交換される。また、熱電セル配列の電気的な構成要素の周囲の流れに熱伝達媒体を与えることもでき、この場合、電気的な構成要素は、カプセル化されて、熱伝達媒体浴中に位置される。流体熱担体と熱電セル配列内の対応するセルユニットとの間の特に強い熱接触は、いずれの場合にも重要である。

一方の収着ヒートポンプの加熱冷却要素と他方の熱電セル配列との間の熱接触に関して有利なのは、可能な限り近いとともに最短の想定し得る熱伝導経路と最も低い想定し得る熱損失とにより２つの構成要素の高度な一体化を実現できるその構造形態である。概略的な例が図４に示される。

図面は、一体化されたハーベスタ１１を、外部加熱再冷却リザーバとの熱的接触のための外部熱接続部１２と、ハーベスタによって生成される電気エネルギーを引き出すための電気接続部３と共に示す。ハーベスタは、一体化された収着ヒートポンプ１３と、一体化された熱電セル配列１４とを含む。一体化された構成要素間には、密な熱接触を確保する熱伝導装置１５がある。熱伝導装置１５は、特に、この場合には一体化された熱電セル配列に直接に熱接続される収着ヒートポンプの加熱冷却要素からなる。

この全体の一体化された装置は、装置全体の熱損失を最小限に抑えるために、カプセル化されて断熱材１６が外側に設けられる。特に有利な構成は、収着ヒートポンプが一体化されたハーベスタの中心に位置される一方で、一体化された熱電セル配列が周りに集められて収着ヒートポンプを包含する構成である。結果として、一体化されたセル配列が内側から加熱又は冷却される。対応する実施形態が図５に示される。この図は、外部熱接続部１２を有する一体型収着ヒートポンプ１３から一体化されるハーベスタ装置を示す。収着ヒートポンプは、ここでは、９個の個々のセル１７から成る熱電セル配列によって取り囲まれており、これらのセル１７は、電気接点１８によって直列に接続され、したがって、バッテリ装置をもたらす。個々のセルは熱伝導媒体１９に埋め込まれる。この場合、熱伝導媒体は、良好な熱伝導特性を有する固体、例えばアルミニウム又は銅構造であってもよく、或いは、流体、特に液体であってもよい。この装置も外側断熱材１６によって取り囲まれる。

本発明に係る方法、特に図３及び図４又は図５に示される実施形態の大きな利点は、収着ヒートポンプそれ自体が付加的な電気エネルギーの供給を必要としないという点である。ヒートポンピングのプロセスは、専ら、吸着器での作動媒体の熱的に誘導される脱離及び吸着と、それと関連するヒートポンプの組み合わされた凝縮器及び蒸発器での凝縮及び蒸発とによって行われる。このヒートポンピングプロセスは、外部から供給される廃熱によって推し進められ、したがって、この廃熱は、吸収されて電気エネルギーに変換される。そのため、この変換プロセスは、付加的な電気エネルギーを何ら必要としない。弁４ａ，４ｂを有する切換ユニット４のためだけに、熱電セル配列に印加される電圧により容易に駆動され得る比較的少ないスイッチング電流が必要とされる。

収着ヒートポンプと熱電セル配列との間の装置協調のための手段として、収着ヒートポンプによる冷却又は加熱の能力を収着ヒートポンプにより冷却又は加熱されるべき熱電セル配列の熱質量に関連付けることが考慮される。

これの一例が図６に表の表示によって概略的に示される。表の縦列はそれぞれ、第１の熱電セルＺ１に存在する動作状態、熱電セル間に配置される収着ヒートポンプＳＷＰ、及び、第２の熱電セルＺ２に存在する動作状態を表わす。表の表示の横列は、個々の動作ステップＳ１〜Ｓ４における第１及び第２の熱電セル並びに収着ヒートポンプからのシステム全体の動作シーケンスを示す。

原理的に、収着ヒートポンプは２つの熱電セルを焼き戻すことができる。これは、熱電セルが等温的に放電されるときに収着ヒートポンプを正確に作動させることができるからである。これは、脱離が収着ヒートポンプで行われる場合である。セルの焼き戻し段階では、すなわち、吸着プロセスが収着ヒートポンプ内で行われるときには、２つの熱電セルのうちの一方だけが常に冷却されなければならず、一方、第２のセルは熱源によって直接に加熱される。一方のセルの冷却及び他方のセルの加熱のいずれにおいても電荷反転が起こる。両方のセルが外見上はプッシュプルモードで動作される。

動作ステップＳ１では、収着ヒートポンプＳＷＰで脱離Ｄが行われる。この場合、両方の熱電セルＺ１，Ｚ２は、これらの両者が例えばここには示されない電気的な負荷を介して放電プロセスＥを実施する等温状態にある。熱電セルＺ１は例えば６０℃の温度を有し、また、熱電セルＺ２は２０℃の温度を有する。

動作ステップＳ２では、収着ヒートポンプＳＷＰが吸着段階Ａを行う。一方、熱電セルＺ１の冷却Ｋが行われ、その間に、熱電セルＺ２で加熱Ｗが起こる。一方のセルの冷却及び他方のセルの加熱は、いずれの場合にも、極性反転及び充電をもたらし、それにより、動作ステップＳ２の完了時に電気エネルギーを両方のセルから取り出すことができる。

動作ステップＳ３では、両方のセルＺ１，Ｚ２が再び等温状態にある。このとき、セルＺ１は、先行する冷却の結果として例えば２０℃の更に低い温度を有するが、セルＺ２は、例えば６０℃の更に高い温度に至らされてしまっている。この状態では、放電プロセスＥを両方のセルで再び行うことができ、したがって、電気エネルギーが除去される。このステップの収着ヒートポンプは、再び脱離段階Ｄを通過する。

動作ステップＳ４では、収着ヒートポンプが再び吸着段階を通過する。その結果、熱電セルＺ１が加熱されるとともに、熱電セルＺ２が冷却され、それにより、動作ステップＳ１をその後に再び実行することができる。

プッシュプルモードにおける異なる熱電セルのこれらの動作条件下で、収着ヒートポンプの冷却能力は、熱電セルの熱容量の約半分しか必要としない。比較的高い熱容量の水が熱電セルの電解質と見なされれば、ハウジングを有さない全質量のセルは、６０℃〜２０℃の焼き戻しの場合、１ｋｇ当たり約８５ｋＪの冷却能力を必要とする。

本発明に係る方法及びこの方法を実施するための装置を典型的な実施形態に関連して説明してきた。更なる実施形態は、当業者による行為との関連において想定し得る。これらは、特に従属請求項から得られる。

１ 熱電セル配列
２ 収着ヒートポンプ
３ 電気接続部
４ 切換装置
４ａ 第１の切換弁
４ｂ 第２の切換弁
５ 加熱リザーバ
６ 冷却リザーバ
７ 吸着器
８ 加熱冷却要素
９ 熱的結合
１０ 熱交換器
１１ 一体化されたハーベスタ
１２ 熱接続部
１３ 一体化された収着ヒートポンプ
１４ 一体化された熱電セル配列
１５ 熱伝導装置
１６ 断熱材
１７ 単一の熱電セル
１８ 電気接点
Ａ 吸着
Ｄ 脱離
Ｅ 放電
Ｋ 冷却
Ｗ 加熱
Ｓ１ 第１の動作ステップ
Ｓ２ 第２の動作ステップ
Ｓ３ 第３の動作ステップ
Ｓ４ 第４の動作ステップ
ＳＷＰ 収着ヒートポンプ

Claims (9)

1. 熱電セル配列（１）をこの熱電セル配列の温度を定期的に変えることによって周期的に動作させるための方法であって、前記熱電セル配列が周期的に動作される収着ヒートポンプ（２）に熱的に結合され、前記収着ヒートポンプ（２）は、切換ユニット（４）を介して外部加熱リザーバ（５）又は外部冷却リザーバ（６）に周期的に結合され、前記収着ヒートポンプは、前記切換ユニットの切り換え状態に応じて、熱的結合により前記熱電セル配列（１）の温度変化をもたらす周期的な高温側又は低温側として作用する加熱冷却要素（８）を含む、以下の方法ステップ、すなわち、
   前記熱電セル配列（１）を冷却段階中に前記収着ヒートポンプ（２）の低温側（ＫＳ）と熱的に結合するステップと、
   前記熱電セル配列（１）を加熱段階中に前記収着ヒートポンプ（２）の高温側（ＷＳ）と熱的に結合するステップと、
   が周期的に行われる、方法。
2. 前記収着ヒートポンプ（２）と前記熱電セル配列（１）との間の前記熱的結合は、加熱回路又は冷却回路として周期的に作用する熱伝達媒体回路を介して行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記収着ヒートポンプと前記熱電セル配列との間の前記熱的結合は、特にヒートパイプ
   配列の形態を成すヒートパイプ装置を介して行われることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記熱電セル配列（１）と前記収着ヒートポンプ（２）との間の前記熱的結合は、直接的な固体伝導熱接触によって行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 熱電セル配列（１）によって電気エネルギーを得るためのハーベスタ装置であって、前記熱電セル配列（１）が収着ヒートポンプ（２）との熱的結合を有し、前記収着ヒートポンプの作業サイクルのサイクルで起こる温度変化を前記熱的結合によって前記熱電セル配列でもたらすことができ、前記収着ヒートポンプ（２）は、切換装置（４）を介して外部加熱リザーバ（５）又は外部冷却リザーバ（６）に周期的に切り換えられ得る吸着器と、蒸発器及び凝縮器として周期的に動作され得る加熱冷却要素（８）とを備え、前記加熱冷却要素が前記熱電セル配列に熱的に結合される、ハーベスタ装置。
6. 前記熱電セル配列（１）と前記加熱冷却要素（８）との間の前記熱的結合は、前記熱電セル配列を前記加熱冷却要素に直接に接続する熱伝導締結として設計されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記熱電時間配列（１）と前記加熱冷却要素（８）との間の前記熱的結合は、熱伝達媒体回路及び／又はヒートパイプ、特にヒートパイプ配列によって形成されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
8. 前記外部加熱リザーバ（５）が廃熱源又は熱収集器であることを特徴とする請求項５に記載の装置。
9. 熱電セル配列の質量に基づく前記収着ヒートポンプの冷却能力は、４０〜１２０ｋＪ／ｋｇ、好ましくは６０〜１００ｋＪ／ｋｇであることを特徴とする請求項５から８のいずれか一項に記載の装置。

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