JP6754321B2 - 受熱ユニット及び当該受熱ユニットを含む熱電発電装置 - Google Patents
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Description
以下、本発明の第1実施形態に係る受熱ユニット(以降、「第1ユニット」と称される場合がある。)について詳しく説明する。尚、第1ユニット及び第1ユニットの構成要素の構成を示す各図は、あくまでも例示を目的とする模式図であり、それぞれの図における縮尺及び縦横比等は必ずしも同じではない。
第1ユニットは、筐体とヒートシンクとを含む受熱ユニットである。筐体は、筒状の形状を有し、その内部に流体が流れる流路を画定する。図1は、第1ユニットに含まれる筐体110の構成の一例を示す模式図である。(a)は、流路全体としての流体の流れの向きである主流方向(白抜きの矢印)の右側から筐体110を観察した場合における筐体110の模式的な側面図である。(b)は、上側((a)に示す黒塗りの矢印Uの方向)から筐体110を観察した場合における筐体110の模式的な平面図である。(c)は、上流側((a)に示す黒塗りの矢印Fの方向)から筐体110を観察した場合における筐体110の模式的な正面図である。(d)は、下流側((a)に示す黒塗りの矢印Bの方向)から筐体110を観察した場合における筐体110の模式的な背面図である。
第1ユニット100において、ヒートシンク120もまた上記主流方向に対して傾斜するように配設されている。具体的には、ヒートシンク120は、(c)に示すように、ヒートシンク角θが鋭角(0°<θ<90°)となるように配設されている。ヒートシンク角θとは、集熱部120aの座面110aとは反対側の先端を全て含む平面又はこれらの先端に対する近似平面である集熱部先端面(線Ltによって表される)と上記主流方向に直交する平面である法平面(線Lnによって表される)とがなす角である。
第1ユニット100によれば、上記のように、集熱部120aが流路に露出し且つヒートシンク角θが鋭角となるようにヒートシンク120が配設されている。従って、ヒートシンク120によって流路における流体の流れが過度に妨げられないので、流体抵抗の増大を低減することができる。更に、流路を流れる流体が集熱部120aの上流側の端部のみならず集熱部先端面(Lt)にも衝突するので、集熱部120aの上流側の端部の下流側に境界層が形成され難い。その結果、集熱部材としてのヒートシンク120の上流側と下流側との間における温度斑を低減することができる。また、隣接するプレート型フィン同士の間へと流体が容易に入り込むことができる。
以下、本発明の第2実施形態に係る受熱ユニット(以降、「第2ユニット」と称される場合がある。)について詳しく説明する。
第2ユニットは、ヒートシンク角θが60°以上であり且つ80°以下であるあるようにヒートシンクが配設されている点を除き、上述した第1ユニット100と同様の構成を有する。従って、以下の説明においては、図2を参照しながら第2ユニットについて説明する。
第2ユニットによれば、流体抵抗の増大及び集熱部材としてのヒートシンク120における温度斑をより確実に低減しつつ、高温の流体から熱を効率的に受け取って受熱効率をより確実に高めることができる。
以下、本発明の第3実施形態に係る受熱ユニット(以降、「第3ユニット」と称される場合がある。)について詳しく説明する。前述したように、ヒートシンク120が備える集熱部120aを構成するフィンの形状は特に限定されず、様々な形状を有するフィンを採用することができる。
第3ユニットは、基本的には、上述した第1ユニット及び第2ユニットと同様の構成を有する。第3ユニットにおいて、集熱部120aを構成するフィンは、以下に列挙する(1)乃至(3)の何れかである。
(1)主流方向に平行ではない方向に延在する柱状の形状を有するピン型フィン、
(2)主流方向に平行な板状の形状を有するプレート型フィン、又は
(3)集熱部先端面(Lt)に沿って主流方向に延在する折り目と集熱部先端面(Lt)に平行な他の平面に沿って主流方向に延在する折り目とに沿って交互に繰り返し折り曲げられた板状部材によって形成された蛇腹状の形状を有する蛇腹型フィン。
上述したフィンは何れもヒートシンクが備えるフィンとして広く採用されているものである。従って、第3ユニットによれば、当該技術分野において広く採用されている部材を用いて本発明ユニットに含まれるヒートシンクが備える集熱部を構成することができる。その結果、例えば、第3ユニットの製造コストの削減等、製造効率面における利益を享受することができる。
以下、本発明の第4実施形態に係る受熱ユニット(以降、「第4ユニット」と称される場合がある。)について詳しく説明する。
第4ユニットは、ヒートシンクが、集熱部の座面側の端部と熱伝導可能に接合された板状の部材からなるベース部を更に備え且つ当該ベース部を介して筐体に熱伝導可能に固定されている点を除き、上述した第1ユニット乃至第3ユニットと同様の構成を有する。
上述したように第4ユニット400が含むヒートシンク120においては、集熱部120aの座面側の端部がベース部120bに接合されている。即ち、ヒートシンク120は集熱部120a及びベース部120bを含む一体物として構成されている。従って、第4ユニット400の製造工程においては、集熱部120aを構成する複数のフィンを個々に筐体110に固定する必要は無く、一体物として構成されているヒートシンク120のベース部120bを筐体110に固定すればよい。その結果、例えば、第4ユニット400の製造コストの削減等、製造効率面における利益を享受することができる。
以下、本発明の第5実施形態に係る受熱ユニット(以降、「第5ユニット」と称される場合がある。)について詳しく説明する。
第5ユニットは、筐体の内部と外部とを連通する開口が座面に穿設されており、集熱部が開口を介して流路に露出しており、ベース部が筐体の外壁面の開口の周縁部に気密に固定されている点を除き、上述した第4ユニットと同様の構成を有する。
上述したように、第5ユニット500においては、筐体110の内部と外部とを連通する開口110bが座面110aに穿設されており、集熱部120aが開口110bを介して流路に露出しており、ベース部120bが筐体110の外壁面の開口110bの周縁部に気密に固定されている。このような構造により、第5ユニット500の製造時には、別途完成された筐体110の外部からヒートシンク120を容易に取り付けることができる。また、例えば破損等の理由によりヒートシンク120を交換する必要が生じた場合においても、ヒートシンク120を容易に交換することができる。即ち、第5ユニット500によれば、受熱ユニットの製造及びメンテナンスに要する労力及びコストを有効に低減することができる。
以下、本発明の第6実施形態に係る受熱ユニット(以降、「第6ユニット」と称される場合がある。)について詳しく説明する。
第6ユニットは、主流方向及び/又は主流方向を軸とする円周方向において異なる位置に配設された複数のヒートシンクを含み、且つ、複数のヒートシンクの集熱部の先端同士がオーバーラップしないように構成されている点を除き、上述した第1ユニット乃至第5ユニットと同様の構成を有する。
上述したように、第6ユニット600は、主流方向及び/又は主流方向を軸とする円周方向において異なる位置に配設された複数のヒートシンク120を含む。これにより、受熱ユニット全体としての受熱効率を高めることができる。更に、第6ユニット600においては、複数のヒートシンク120の集熱部120aの先端同士がオーバーラップしないように構成されている。従って、流体抵抗の過度の増大を招くこと無く、受熱ユニット全体としての受熱効率を高めることができる。
以下、本発明の第7実施形態に係る受熱ユニット(以降、「第7ユニット」と称される場合がある。)について詳しく説明する。
図11は、前述した第5ユニット500と比較しながら、第7ユニット700の構成について説明するための模式的な断面図である。図11の(a)は、筐体110の軸を通り且つ矢印Uの方向に平行な平面による第5ユニット500の模式的な断面図であり、図9の(c)と同じである。第5ユニット500においては、筐体110に形成された座面110aの直ぐ下流側において、上述した法平面による流路の断面積が急激に大きくなっている。その結果、破線の曲線によって描かれた矢印によって表されているような渦巻き状の乱流が生じ、流体抵抗(圧力損失)の増大を招く虞がある。
上記ディフューザ部110cにより、第7ユニット700においては、傾斜した座面110の内壁に沿って流れつつヒートシンク120が備える集熱部120aと接触して熱交換した流体が筐体110の内壁面から剥離すること無く、流路の拡大に伴う流体の流れを円滑にすることができる。即ち、第7ユニット700によれば、座面110aの下流側における渦巻き状の乱流の発生を低減して、流体抵抗(圧力損失)の増大を低減することができる。また、ディフューザ部110cによる所謂「吸い出し効果」により、流体の流れを更に円滑にすることができる。
ところで、上述した第1ユニット100乃至第7ユニット700を始めとする本発明の種々の実施形態に係る受熱ユニットは、例えば、内燃機関の排気ガスから熱を回収して発電を行う熱電発電装置並びにボイラーの排気ガスから熱を回収してボイラーに供給される水及び空気を暖める給水予熱器及び空気予熱器等、様々な熱回収装置に含まれる受熱ユニットとして採用することができる。即ち、本明細書の冒頭において述べたように、本発明は、熱回収装置等において高温の流体から熱を受け取るための機構として使用される受熱ユニットのみならず、当該受熱ユニットを含む熱電発電装置にも関する。
第8装置は、上述した第1ユニット100乃至第7ユニット700の何れか1つに該当する受熱ユニットと、当該受熱ユニットに含まれるヒートシンクが備える集熱部と熱伝導可能な状態において筐体の外部に固定された熱電発電モジュールと、を含む、熱電発電装置である。
上述したように、第8装置800においては、第1ユニット100乃至第7ユニット700を始めとする本発明の種々の実施形態の何れかに係る受熱ユニット(本発明ユニット)と、当該受熱ユニットに含まれるヒートシンクが備える集熱部と熱伝導可能な状態において筐体110の外部に固定された熱電発電モジュール130と、を含む。従って、筐体110によって画定される流路を流れる高温の流体から高い受熱効率にて熱を受け取り、その熱を熱電発電モジュール130に伝導することができる。
ところで、当業者に周知であるように、熱電発電素子は、異なる2種類の金属又は半導体の接合点の一方を高熱源に接触させ且つ他方を低熱源に接触させることにより電位差を生じさせて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。また、熱電発電素子は、基本的には、高熱源と低熱源との間の温度差が大きいほど、より大きい電位差を生じ、より大きい電気エネルギーを発生させることができる。
第9装置は、熱電発電モジュールの筐体とは反対側の主面に熱伝導可能に固定された冷却ユニットを更に含む点を除き、上述した第8装置800と同様の構成を有する。冷却ユニットは、対象物を冷却することが可能である限り、特に限定されない。冷却ユニットの具体例としては、例えば、ヒートシンク、強制空冷式及び水冷式のヒートシンク、及び冷却ジャケット(例えば、ウォータージャケット等)等を挙げることができる。
上述したように、第9装置900においては、熱電発電モジュール130の筐体110とは反対側の主面に熱伝導可能に固定された冷却ユニット140を更に含む。従って、熱電発電モジュール130の低熱源側(即ち、ヒートシンク120の筐体110側とは反対側)を積極的に冷却することができる。その結果、第9装置によれば、熱電発電モジュール130の内側(即ち、筐体110側)と外側(即ち、冷却ユニット140側)との間の温度差をより大きくして、より大きい電位差を生じ、より大きい電気エネルギーを発生させることができる。
図14、は本発明の実施例1に係る受熱ユニットを含む熱電発電装置(以降、「第1実施例装置」と称される場合がある。)1000の外観を示す模式的なアイソメ図(等角投影図)である。図15は、第1実施例装置1000の模式的な正面図(a)、側面図(b)及び背面図(c)である。図16の(a)は、図15の(c)において線A−Aによって示される平面によって切断された第1実施例装置1000を切断面側(主流方向の右側)から観察した場合の模式図である。図16の(b)は、図15の(b)において線B−Bによって示される平面によって切断された第1実施例装置1000を切断面側(主流方向における下流側)から観察した場合の模式図である。
上述した構成を有する第1実施例装置1000において、高温の流体(ガス)は、図16の(a)において白抜きの矢印によって示すように、図面に向かって左方から流れ込み、流路内に配設された複数のプレート型フィンに接触する。これら複数のフィンの先端を含む平面である集熱部先端面はガスの流れ方向(主流方向)に対して傾斜しているので、上流側のフィンのみならず下流側のフィンを含む集熱部120aの全体がガスに接触することができる。加えて、座面110の上流側に配設された縮径部110dによる縮径及び座面110の傾斜による断面積の減少により、ガスの圧力が高まり、プレート型フィン同士の間にガスが押し込まれ易くなるので、集熱部120aは高い受熱効率にてガスから集熱することができる。
ここで、従来技術に係る熱電発電装置を比較例として第1実施例装置によって達成される上記効果を評価した結果につき、以下に詳しく説明する。
図17は、比較例に係る受熱ユニット(比較例ユニット)1100を含む熱電発電装置(比較例装置)1200の外観を示す模式的なアイソメ図(等角投影図)である。また、図18は、比較例装置1200の模式的な正面図(a)、側面図(b)及び背面図(c)である。更に、図19の(a)は、図18の(c)において線A−Aによって示される平面によって切断された比較例装置を切断面側(主流方向の右側)から観察した場合の模式図である。図19の(b)は、図18の(b)において線B−Bによって示される平面によって切断された比較例装置を切断面側(主流方向における下流側)から観察した場合の模式図である。これらの図において、上述した本発明の各種実施形態及び実施例に係る受熱ユニット及び熱電発電装置と共通する構成要素については、本発明の各種実施形態及び実施例に係る受熱ユニット及び熱電発電装置の構成要素と同じ符号がそれぞれ付されている。
図20は、筐体の内部に画定された流路における流体の流れにつき、第1実施例装置1000(a)と比較例装置1200(b)とを比較する模式図である。尚、第1実施例装置1000及び比較例装置1200の構成については既に説明したので、図20においては、これらの構成要素の説明のための符号を付与しない。第1実施例装置1000及び比較例装置1200の何れにおいても、8.5g/秒の流量にて520℃のガスを流路に流し、10L/分の流量にて80℃の冷却水を冷却ユニット140(ウォータージャケット)に流した。
以上のように、本発明に係る受熱ユニット及び当該受熱ユニットを含む熱電発電装置によれば、流体抵抗の増大及び集熱部材における温度斑を低減しつつ高温の流体から熱を効率的に受け取って熱回収効率を高めることができることが確認された。
図21は、本発明の実施例2に係る受熱ユニットを含む熱電発電装置(以降、「第2実施例装置」と称される場合がある。)1300の外観を示す模式的なアイソメ図(等角投影図)である。図22は、第2実施例装置1300の模式的な正面図(a)、側面図(b)及び背面図(c)である。図23の(a)は、図22の(c)において線A−Aによって示される平面によって切断された第2実施例装置1300を切断面側(主流方向の右側)から観察した場合の模式図である。図23の(b)は、図22の(b)において線B−Bによって示される平面によって切断された第2実施例装置1300を切断面側(主流方向における下流側)から観察した場合の模式図である。
上述した構成を有する第2実施例装置1300に含まれる受熱ユニット(第7ユニット700)は、筐体110の軸を挟んで互いに対向する2つのヒートシンク120を含む。これにより、受熱ユニット全体としての受熱効率を高めることができる。更に、当該受熱ユニットにおいては、2つのヒートシンク120の集熱部120aの先端同士がオーバーラップしないように構成されている。従って、流体抵抗の過度の増大を招くこと無く、受熱ユニット全体としての受熱効率を高めることができる。その結果、第2実施例装置1300によれば、より高い熱回収効率にて発電することができる
Claims (9)
- 内部に流体が流れる流路を画定する筒状の筐体と、複数のフィンからなる集熱部を備えるヒートシンクと、を含み、前記集熱部が前記流路に露出し且つ前記筐体の外部と熱伝導可能であるように構成されている、受熱ユニットであって、
前記流路全体としての前記流体の流れの向きである主流方向において下流側へ進むほど前記筐体の内側に向かってより大きく前記筐体の壁面から突出するように前記筐体の前記壁面に対して傾斜した座面が前記筐体の前記壁面の一部に形成されており、
前記集熱部は前記座面の内側に配設されており、
前記複数のフィンの前記座面とは反対側の先端を全て含む平面又はこれらの先端に対する近似平面である集熱部先端面と前記主流方向に直交する平面である法平面とがなす4つの角のうち前記集熱部先端面よりも前記主流方向において上流側であり且つ前記法平面よりも前記主流方向において下流側である領域に位置する角であるヒートシンク角が鋭角となるように、前記ヒートシンクが配設されている、
受熱ユニット。 - 請求項1に記載の受熱ユニットであって、
前記ヒートシンク角が60°以上であり且つ80°以下であるように、前記ヒートシンクが配設されている、
受熱ユニット。 - 請求項1又は請求項2に記載の受熱ユニットであって、
前記集熱部が、前記主流方向に平行ではない方向に延在する柱状の形状を有するピン型フィンによって構成されているか、前記主流方向に平行な板状の形状を有するプレート型フィンによって構成されているか、又は前記集熱部先端面に沿って前記主流方向に延在する折り目と前記集熱部先端面に平行な他の平面に沿って前記主流方向に延在する折り目とに沿って交互に繰り返し折り曲げられた板状部材によって形成された蛇腹状の形状を有する蛇腹型フィンによって構成されている、
受熱ユニット。 - 請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の受熱ユニットであって、
前記ヒートシンクが、前記集熱部の前記座面側の端部と熱伝導可能に接合された板状の部材からなるベース部を更に備え且つ前記ベース部を介して前記筐体に熱伝導可能に固定されている、
受熱ユニット。 - 請求項4に記載の受熱ユニットであって、
前記筐体の内部と外部とを連通する開口が前記座面に穿設されており、
前記集熱部が前記開口を介して前記流路に露出しており、
前記ベース部が前記筐体の外壁面の前記開口の周縁部に気密に固定されている、
受熱ユニット。 - 請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の受熱ユニットであって、
前記主流方向及び/又は前記主流方向を軸とする円周方向において異なる位置に配設された複数の前記ヒートシンクを含み、
複数の前記ヒートシンクの前記集熱部が最も近接する部分においても、複数の前記ヒートシンクの前記集熱部の先端同士が所定の間隔を空けて離れてオーバーラップしないように構成されている、
受熱ユニット。 - 請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の受熱ユニットであって、
前記筐体の前記壁面の前記座面よりも前記主流方向において下流側の領域に、前記法平面による前記流路の断面積が前記主流方向において下流側へ進むほど徐々に増大するように構成されたディフューザ部が形成されている、
受熱ユニット。 - 請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載の受熱ユニットと、
前記筐体の外部に前記集熱部と熱伝導可能に固定された熱電発電モジュールと、
を含む、熱電発電装置。 - 請求項8に記載の熱電発電装置であって、
前記熱電発電モジュールの前記筐体とは反対側の主面に熱伝導可能に固定された冷却ユニットを更に含む、熱電発電装置。
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