JP7054160B2 - 熱電発電システム - Google Patents

Description

本発明は、熱（温度差）と電気とを相互変換する熱電変換モジュールが排熱パイプに装着された熱電発電システムに関する。

現代の産業社会においては、特に工場、発電所、製鉄所、自動車や、ビル、照明、船舶などを中心に、全一次エネルギー供給量の６０％以上の膨大な廃熱が地球環境に排出されており、その７５％以上が２５０℃以下の排水や排気と推定されている。熱電発電は、これらの無駄に捨てられる熱から電気を起こすため、地球環境の保護に極めて有用である。

これらの廃熱は、一般的に、排気パイプや排水パイプ等の排熱パイプを通じて輸送される。そのため、これらの廃熱を熱電発電の熱源として簡便に効率よく利用するためには、熱電変換モジュールは、排熱パイプの湾曲した外表面に密着させることができるフレキシブルなものである必要がある。

このような熱電変換モジュールを用いて熱電発電システムを構成するためには、熱電変換モジュールにできる限り温度差をつけるために、熱源の反対側を冷却する必要がある。その簡便な方法として、特許文献１には、フレキシブルな熱電変換モジュールに、放熱フィンを装着して空冷する熱電発電システムが開示されている。

特開２０１６－２０７９９５号公報 図９は、特許文献１に開示された熱電発電システムの構成を示した図である。図９に示すように、熱電素子４が、基板２ａ上に形成された実装ランド３に高密度実装された熱電変換モジュール１が、排熱パイプ５の外面に熱伝導シート８を介して装着されている。熱電変換モジュール１の外側には、熱伝導シート９を介して、高熱伝導性と可撓性を有するフレキシブル熱伝導基板６が装着されている。そして、フレキシブル熱伝導基板６の上に、複数の放熱フィン７が形成されている。

フレキシブル基板２ｂには、熱電変換モジュール１のフレキシブル性を確保するために、スリットＳが形成され、これにより、熱電変換モジュール１と放熱フィン７を、湾曲した排熱パイプ５に沿わせ密着させることができるため、排熱パイプ５からの熱を効率よく伝達することができる。

しかしながら、特許文献１に開示された放熱フィンによる冷却において、ファンを用いた強制空冷ではなく、対流ならびに輻射による自然空冷の場合、放熱フィン近傍の空気の温度が上昇してしまい、所望の冷却性能が得られず、発電出力が上がらないという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、放熱フィン近傍の熱の滞留を軽減して、熱電変換モジュール内の温度差を確保して、効率的に発電することが可能な熱電発電システムを提供することにある。

本発明に係る熱電発電システムは、フレキシブル基板に複数の熱電素子が実装された熱電変換モジュールが排熱パイプに装着された熱電発電システムであって、熱電変換モジュールは、第１の熱電変換モジュールと、第２の熱電変換モジュールとが積層されており、第１の熱電変換モジュールが排熱パイプに装着されるとともに、第２の熱電変換モジュールに複数の放熱フィンが装着されている。

ある好適な実施形態において、第１の熱電変換モジュールの熱電素子と、第２の熱電変換モジュールの熱電素子との、排熱パイプの周方向における相互配置を調整することにより、排熱パイプからの熱流が制御される。

ある好適な実施形態において、第１の熱電変換モジュールにおける熱電素子と、第２の熱電変換モジュールにおける熱電素子とは、排熱パイプの径方向で重なっている。

ある好適な実施形態において、第２の熱電変換モジュールにおける熱電素子は、排熱パイプの周方向において、第１の熱電変換モジュールにおける熱電素子の中間に配置されている。

ある好適な実施形態において、第１の熱電変換モジュールの熱電素子のサイズと、第２の熱電変換モジュールの熱電素子のサイズを調整することにより、排熱パイプからの熱流が制御される。

ある好適な実施形態において、放熱フィンは、第２の熱電変換モジュールの熱電素子上に配置される。

ある好適な実施形態において、第１の熱電変換モジュール、及び第２の熱電変換モジュールは、熱伝導シートを介して積層されている。

ある好適な実施形態において、熱伝導シートは、面内方向において高熱伝導率を有する材料からなる。

本発明の熱電発電システムによれば、積層された熱電変換モジュールを排熱パイプに装着するとともに、外側の熱電変換モジュールの上に放熱フィンを設けることによって、熱源からの熱流を制御し、効率的に放熱することができる。これにより、自然放熱でも、放熱フィン近傍の熱の滞留を軽減して、各熱電変換モジュール内の温度差を確保することができるいため、効率的な発電をすることができる。

また、積層される熱電変換モジュールは、ほぼ同じ構成であるため、熱電発電システムとして、効率よく生産することができる。

また、積層される熱電変換モジュールにおける熱電素子の相互配置を調整することにより、排熱パイプからの熱流の制御が可能になる。

また、熱電変換モジュールを熱伝導シートを介して積層することにより、熱伝導シートの特性に応じて、熱流の制御が可能となる。

本発明の一実施形態における熱電発電システムの排熱パイプの管軸方向に垂直な断面図である。 本発明の一実施形態における熱電発電システムの排熱パイプの管軸方向に沿った断面図である。 熱電変換モジュールを１層だけにした場合の排熱管壁からの距離に対する温度変化を示した図である。 熱電変換モジュールを２層にした場合の排熱管壁からの距離に対する温度変化を示した図である。 本実施形態の変形例１における熱電発電システムの排熱パイプの管軸方向に垂直な断面図である。 本実施形態の変形例２における熱電発電システムの排熱パイプの管軸方向に垂直な断面図である。 本実施形態の変形例３における熱電発電システムの排熱パイプの管軸方向に垂直な断面図である。 本実施形態の変形例４における熱電発電システムの排熱パイプの管軸方向に垂直な断面図である。 従来技術の熱電発電システムの排熱パイプの管軸方向に垂直な断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

図１及び図２は、本発明の一実施形態における熱電発電システムの構成を模式的に示した図で、図１は、排熱パイプの管軸方向に垂直な断面図で、図２は、排熱パイプの管軸方向に沿った断面図である。

図１及び図２に示すように、第１の熱電変換モジュール１１は、フレキシブル基板１２上に形成された実装ランド１３に、複数の熱電素子１４が搭載された構成をなす。熱電素子１４は、ｐ型熱電素子１４ａと、ｎ型熱電素子１４ｂとからなり、管軸方向に垂直な方向では同じものが、管軸方向では交互に、実装ランド１３に搭載されている。

第１の熱電変換モジュール１１は、熱伝導シート３３を介して排熱パイプ１０に巻き付けられている。また、第１の熱電変換モジュール１１上に、同じ構成の第２の熱電変換モジュール２１が、熱伝導シート３４を介して積載されている。さらに、第２の熱電変換モジュール２１上に、放熱シート３５を介して放熱フィン３１が密着されている。なお、符号３２は放熱フィン３１の底部プレートである。
また、フレキシブル基板１６に、スリットＳを形成することによって、熱電変換モジュール１１、２１のフレキシブル性を確保することができる。これにより、熱電変換モジュール１１を、湾曲した排熱パイプ１０に沿わせ密着させることができるため、排熱パイプ１０からの熱を効率よく伝達することができる。

フレキシブル基板１２、１６は、例えば、ポリイミドからなる基材からなり、その厚みは、５μｍ～３８μｍである。また、実装ランド１３は、例えば、Ｃｕ配線からなり、その厚みは、８μｍ～３５μｍである。また、熱電素子１４ａ、１４ｂは、上側と下側の基板１２、１６に形成された実装ランド１３、１５に、例えば、鉛フリーハンダペースト（Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ）のリフローにより接合されている。なお、実装ランド１３、１５は、管軸方向に交互に搭載されたｐ型熱電素子１４ａとｎ型熱電素子１４ｂとを、直列に接続する配線を兼ねている。

ｐ型熱電素子１４ａは、例えば、１．４mm×１．９mm、高さ１mmのＢｉＳｂＴｅチップからなり、ｎ型熱電素子１４ｂは、同サイズのＢｉＴｅチップからなる。また、２つの熱電変換モジュール１１、２１を密着させる熱伝導シート３４は、例えば、面内方向の熱伝導率が厚み方向の熱伝導率よりも大きい材料が好ましく、例えば、カーボンシート等を用いることができる。厚さ０．３ｍｍのカーボンシートの面内方向の熱伝導率は、約３００W／mKで、垂直方向の熱伝導率は約３０W/mKである。

本実施形態の熱電発電システムによれば、第１及び第２の熱電変換モジュール１１、２１を積載することにより、排熱パイプ（熱源）１０からの熱流を制御し、従来からほぼ半減させることができる。これにより放熱フィン３１からの放熱が効果的になる。

また、面内方向の熱伝導率が大きい熱伝導シート３４を用いることによって、第１の熱電変換モジュール１１の上面、及び第２の熱電変換モジュール２１の底面の温度の均一性を向上させることができる。これにより、熱電変換モジュール全体での熱流の制御の均一性、ひいては熱電変換モジュール内の温度差の均一性、発電の安定性を確保することができる。

図３及び図４は、熱電変換モジュールを１層だけにした場合と、２層に積層した場合とで、自然放熱による排熱管壁からの距離に対する温度変化を比較した図で、図３は、１層の場合、図４は２層の場合のシミュレーション結果を示した図である。ここで、熱電変換モジュールは、同じ構成のものとし、排熱源は水蒸気とした。なお、シミュレーションは、汎用熱解析ソフトを用いて行った。また、図中のΔTcは、熱電変換モジュールの両面間の温度差を示す。

熱電変換モジュールが１層だけの場合、図３に示すように、放熱フィン近傍で温度が高く、かつ、排熱管壁からの距離がかなり離れても温度低下が緩やかであるのに対し、熱電変換モジュールを２層にした場合、図４に示すように、排熱管壁からの距離に対する温度低下が急峻であり、熱電変換モジュールでの大きな温度差が得られることが分かる。これにより、熱電変換モジュールを２層にした場合、熱電発電出力を１．５倍に高めることができる。

（本実施形態の変形例１）
図５は、本実施形態の変形例１における熱電発電システムの構成を模式的に示した図で、排熱パイプの管軸方向に垂直な断面図を示す。なお、図１及び図２で示した実施形態と同一物については同一符号を付している。

本変形例１では、図５に示すように、第２の熱電変換モジュール２１の熱電素子１４のピッチ（排熱パイプの周方向のピッチ）を、第１の熱電変換モジュール１１の熱電素子１４のピッチより大きくし、両者の熱電素子１４が、排熱パイプ１０の径方向で重なるようにしている。また、放熱フィン３１も、熱電素子１４の位置に合うようにしている。これにより、熱流がスムーズに放熱フィン３１に伝達されるため、熱利用効率をさらに向上させることができる。なお本変形例１では、フレキシブル基板１６に延性を有する材料を使うことで、スリットＳは形成していない。

具体的には、第１の熱電変換モジュール１１の厚さをｔ_１、排熱パイプ１０の外径をＤ_１、第１の熱電変換モジュール１１の熱電素子１４のピッチをＬ_１、第２の熱電変換モジュール２１の熱電素子１４のピッチをＬ_２としたとき、以下の式を満たすように設定すればよい。

Ｌ_２／Ｌ_１＝１＋２×ｔ_１／Ｄ_１
例えば、第１の熱電変換モジュール１１の熱電素子１４のピッチＬ_１が０．８mm、厚さｔ_１が１．２mm、排熱パイプ１０の外径Ｄ_１が３４mmの場合、第２の熱電変換モジュール２１の熱電素子１４のピッチＬ_２を０．８６mmに設定すればよい。

なお、排熱パイプ１０上の熱伝導シート３３の厚さがｔ_２、第１及び第２の熱電変換モジュール１１、２１間の熱伝導シート３４の厚さがｔ_３の場合には、上式において、Ｄ_１を（Ｄ_１＋２×ｔ_２）、ｔ_１を（ｔ_１＋ｔ_３）に置き換えればよい。

（本実施形態の変形例２）
図６は、本実施形態の変形例２における熱電発電システムの構成を模式的に示した図で、排熱パイプの管軸方向に垂直な断面図を示す。なお、図１及び図２で示した実施形態と同一物については同一符号を付している。

本変形例２では、図６に示すように、変形例１と同様に、第２の熱電変換モジュール２１の熱電素子１４のピッチを、第１の熱電変換モジュール１１の熱電素子１４のピッチより大きくするとともに、第２の熱電変換モジュール２１の熱電素子１４が、第１の熱電変換モジュール１１の熱電素子１４の中間に配置されるようにしている。また、放熱フィン３１は、第２の熱電変換モジュール２１の熱電素子１４の位置に合うようにしている。これにより、第１の熱電変換モジュール１１から第２の熱電変換モジュール２１への熱流は、変形例１よりも低減されるが、第２の熱電変換モジュール２１から流出する熱は、放熱フィン３１により効果的に放熱されるため、第１及び第２の熱電変換モジュール１１、２１内での温度差が増大する。その結果、より大きな熱電発電出力を得ることができる。

なお、本変形例２では、第１及び第２の熱電変換モジュール１１、２１を密着させる熱伝導シート３４において、面内方向の熱伝導率が大きいと、熱流の低減効果が減じてしまうため、厚み方向の熱伝導率の大きいものが選ばれる。

また、熱流が低減されるため、放熱フィン３１として低背の物の使用も可能である。

（本実施形態の変形例３）
図７は、本実施形態の変形例３における熱電発電システムの構成を模式的に示した図で、排熱パイプの管軸方向に垂直な断面図を示す。なお、図１及び図２で示した実施形態と同一物については同一符号を付している。

本変形例３では、図７に示すように、変形例１と同様に、第１及び第２の熱電変換モジュール１１、２１の熱電素子１４が、排熱パイプ１０の径方向で重なるようにするとともに、第１の熱電変換モジュール１１の熱電素子１４の高さを、第２の熱電変換モジュール２１の熱電素子１４の高さより高くしている。これにより、熱電変換モジュール１１の熱抵抗が大きくなるため、排熱パイプ（熱源）１０からの熱流をさらに低減することができる。例えば、第１の熱電変換モジュール１１の熱電素子１４の高さ１．５ｍｍ、第２の熱電変換モジュール２１の熱電素子１４の高さを１mmとした場合、パイプ（熱源）１０からの熱流を約８０%に低減することができる。

また、フレキシブル基板１６に、スリットＳを形成することによって、熱電変換モジュール１１、２１のフレキシブル性を確保することができる。これにより、熱電変換モジュール１１を、湾曲した排熱パイプ１０に沿わせ密着させることができるため、排熱パイプ１０からの熱を効率よく伝達することができる。

（本実施形態の変形例４）
図８は、本実施形態の変形例４における熱電発電システムの構成を模式的に示した図で、排熱パイプの管軸方向に垂直な断面図を示す。なお、図１及び図２で示した実施形態と同一物については同一符号を付している。

本変形例４では、図８に示すように、第２の熱電変換モジュール２１の熱電素子１４の平面サイズを、第１の熱電変換モジュール１１の熱電素子１４の平面サイズより大きくしている。これにより、第１及び第２の熱電変換モジュール１１、２１の熱電素子１４の配置関係を、熱電素子１４の平面サイズによって調整が効くため、より熱流の制御を行うことができる。また、第２の熱電変換モジュール２１の内部抵抗を小さくできるため、より大きな熱電発電出力を得ることができる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態では、２層に積層された熱電変換モジュール１１、２１を、排熱パイプ１０に装着させたが、これに限定されず、３層以上の熱電変換モジュールを、排熱パイプ１０に装着させてもよい。

１０ 排熱パイプ
１１ 第１の熱電変換モジュール
１２、１６ フレキシブル基板
１３、１５ 実装ランド
１４ 熱電素子
１４ａ ｐ型熱電素子
１４ｂ ｎ型熱電素子
２１ 第２の熱電変換モジュール
３１ 放熱フィン
３３、３４ 熱伝導シート
３５ 放熱シート

Claims (6)

1. フレキシブル基板に複数の熱電素子が実装された熱電変換モジュールが排熱パイプに装着された熱電発電システムであって、
   前記熱電変換モジュールは、第１の熱電変換モジュールと、第２の熱電変換モジュールが積層されており、
   前記第１の熱電変換モジュールが前記排熱パイプに装着されるとともに、前記第２の熱電変換モジュールに複数の放熱フィンが装着されており、
   前記第１の熱電変換モジュールの熱電素子と、前記第２の熱電変換モジュールの熱電素子との、前記排熱パイプの周方向における相互配置を調整することにより、前記排熱パイプからの熱流が制御される、熱電発電システム。
2. 前記第２の熱電変換モジュールにおける熱電素子は、前記排熱パイプの周方向において、前記第１の熱電変換モジュールにおける熱電素子の中間に配置されている、請求項１に記載の熱電発電システム。
3. 前記第１の熱電変換モジュールの熱電素子のサイズと、前記第２の熱電変換モジュールの熱電素子のサイズを調整することにより、前記排熱パイプからの熱流が制御される、請求項１に記載の熱電発電システム。
4. 前記放熱フィンは、前記第２の熱電変換モジュールの熱電素子上に配置される、請求項１～３の何れかに記載の熱電発電システム。
5. 前記第１の熱電変換モジュール、及び前記第２の熱電変換モジュールは、熱伝導シートを介して積層されている、請求項１～４の何れかに記載の熱電発電システム。
6. 前記熱伝導シートは、面内方向において高熱伝導率を有する材料からなる、請求項５に記載の熱電発電システム。

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