JP7305313B2 - thermoelectric generator - Google Patents
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Description
本発明は、温度差に応じて発電を行う熱電発電装置に関する。
BACKGROUND OF THE
従来から熱電発電装置に用いられる熱電変換モジュールは、熱源からの熱量が供給される高温側の面と、その面に対向する低温側の面との間の温度差に応じて発電を行う。そのような熱電変換モジュールを用いた場合、温度差をより大きくするには、言い換えれば発電量をより大きくするには、低温側の面の温度をより低くする必要がある。そのため、低温側に冷却装置を取り付けた熱電発電ユニットを構成することが一般的である。 2. Description of the Related Art A thermoelectric conversion module conventionally used in a thermoelectric generator generates power according to a temperature difference between a high-temperature side to which heat is supplied from a heat source and a low-temperature side facing the high-temperature side. When such a thermoelectric conversion module is used, it is necessary to lower the temperature of the surface on the low temperature side in order to increase the temperature difference, in other words, to increase the amount of power generation. Therefore, it is common to construct a thermoelectric generation unit with a cooling device attached to the low temperature side.
低温側の面の温度をより低くするために、最近では、ヒートパイプを用いた自然空冷方式の冷却装置が熱電発電ユニットに採用されている(例えば、特許文献1参照)。ヒートパイプは、熱伝導性が優れていることから、そのヒートパイプを用いた冷却装置を採用した場合、低温側の面の熱量を効率的に放熱することができる。 In order to lower the temperature of the low-temperature side, recently, a natural air cooling type cooling device using a heat pipe has been adopted for a thermoelectric generation unit (see, for example, Patent Document 1). Since heat pipes have excellent thermal conductivity, when a cooling device using such heat pipes is employed, the amount of heat on the surface on the low temperature side can be efficiently radiated.
自然空冷方式の冷却装置の冷却性能は、大きさに強く依存する。これは、空気に触れる面積を大きくするほど、冷却性能が向上するためである。そのため、より大きい冷却装置を採用することにより、高温側の面と低温側の面との間の温度差を、より大きくすることができる。 The cooling performance of a natural air cooling system strongly depends on the size. This is because the cooling performance improves as the area exposed to air increases. Therefore, by employing a larger cooling device, the temperature difference between the hot side surface and the cold side surface can be made larger.
多くの場合、熱電発電ユニットは、複数、用いられる。熱源として利用できるスペースは有限なので、冷却装置が単に大きくなると設置できる熱電発電ユニットの数は少なくなる。そのため、個々の熱電発電ユニットの発電量を望ましいものにできたとしても、設置できる熱電発電ユニットの数を十分に確保できないと、熱電発電装置全体で望ましい発電量が得られるとは限らない。また、冷却装置の製造コストは、大きく、重くなるほど高くなるのが普通である。これらのことから、冷却装置の採用にあたっては、熱電発電装置全体で得られる総発電量、及び製造コストを考慮することが重要である。 In many cases, multiple thermoelectric generator units are used. Since the space available as a heat source is finite, the number of thermoelectric generator units that can be installed decreases if the cooling system is simply larger. Therefore, even if the individual thermoelectric power generating units can generate a desired amount of power, the entire thermoelectric power generating apparatus may not necessarily generate a desired amount of power unless the number of installable thermoelectric power generating units is sufficiently secured. Also, the larger and heavier the cooling device, the higher the manufacturing cost. For these reasons, when adopting a cooling device, it is important to consider the total amount of power generated by the entire thermoelectric generator and the manufacturing cost.
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、その目的は、製造コストを抑えつつ、より大きい総発電量を得ることが可能な熱電発電装置を提供することに在る。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric generator capable of obtaining a larger total power generation amount while suppressing manufacturing costs.
本発明に係る熱電発電装置は、軸方向が鉛直方向と平行な配管の外周に固定される熱電変換モジュールと、熱電変換モジュールの配管と対向する面に固定される受熱板と、屈曲形状をなし、屈曲形状の一端が蒸発部、他端が凝縮部を形成し、軸方向において凝縮部が蒸発部よりも高い位置となるよう受熱板に固定される複数のヒートパイプと、ヒートパイプの蒸発部を含む部分を受熱板に固定する固定部材を備える。 A thermoelectric power generator according to the present invention comprises a thermoelectric conversion module fixed to the outer periphery of a pipe whose axial direction is parallel to the vertical direction , a heat receiving plate fixed to a surface of the thermoelectric conversion module facing the pipe, and a bent shape. a plurality of heat pipes fixed to the heat receiving plate so that one end of the bent shape forms an evaporating portion and the other end forms a condensing portion, and the condensing portion is positioned higher than the evaporating portion in the axial direction ; and a fixing member for fixing the portion including to the heat receiving plate.
本発明によれば、製造コストを抑えつつ、より大きい総発電量を得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a bigger total electric power generation amount can be obtained, suppressing a manufacturing cost.
以下、本発明に係る熱電発電装置の各実施の形態を、図を参照して説明する。 Hereinafter, each embodiment of the thermoelectric generator according to the present invention will be described with reference to the drawings.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る熱電発電装置の設置環境例を示す図である。本実施の形態1に係る熱電発電装置は、廃熱利用のために、工場に設置されている。
FIG. 1 is a diagram showing an installation environment example of a thermoelectric generator according to
工場設備1は、例えば燃料、ゴミ等の燃焼により、高温ガス、つまり熱電発電を可能にさせる熱源流体を発生させる。この高温ガスは、配管2、及び煙突3を介して大気に排出される。本実施の形態1に係る熱電発電装置は、配管2に取り付けられ、大気に排出される高温ガスを熱源として発電を行うことを想定している。
The
なお、本実施の形態1に係る熱電発電装置は、工場での利用に限定されない。本実施の形態1に係る熱電発電装置は、熱電発電を行ううえでの熱源が存在する場所であれば、幅広く利用することができる。
Note that the thermoelectric generator according to
図2は、本発明の実施の形態1に係る熱電発電装置の設置例を示す斜視図であり、図3は、本発明の実施の形態1に係る熱電発電装置が備える熱電発電ユニットの配置例を示す図である。
FIG. 2 is a perspective view showing an installation example of the thermoelectric generator according to
図2、及び図3に示すように、本実施の形態1に係る熱電発電装置10は、配管2の外側に取り付けられている。その熱電発電装置10は、複数の熱電発電ユニット11を備え、その複数の熱電発電ユニット11は、配管2の外側に、周方向上に並べて取り付けられている。図3は、配管2の軸方向上の視点で各熱電発電ユニット11の配置例を示している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
熱電発電装置10が取り付けられるのは、配管2が水平、或いはほぼ水平となっている部分、言い換えれば、配管2の軸方向が図2に矢印で示す鉛直方向と垂直、或いはほぼ垂直となっている部分である。本実施の形態1では、図2、及び図3に示すように、熱電発電装置10を構成する熱電発電ユニット11は、配管2の上側半分ほどの範囲内に設置している。各熱電発電ユニット11は、取付部材15により、その取付部材15と配管2との間に挟持されて固定される。
The
取付部材15では、それぞれ1つの熱電発電ユニット11が取り付け可能な接続板15aが蝶番の要領で連結されている。それにより、各熱電発電ユニット11は、取付部材15により、相対的な位置関係が維持される。その位置関係が維持される状態とした後、例えば取付部材15の両端に位置する接続板15aをベルト状の部材により連結すれば、各熱電発電ユニット11を配管2に固定させることができる。各熱電発電ユニット11の配管2への固定は、別のベルト状の部材を用いて、取付部材15が備える各接続板15aを配管2に向けることにより行っても良い。各熱電発電ユニット11の配管2への取付方法、つまり固定方法は、特に限定されない。これは、各熱電発電ユニット11を断面形状が円形ではない配管2に取り付ける場合、及び配管2以外の対象物に取り付ける場合であっても同様である。
In the
配管2は、図3に示すように、径方向に沿った断面が円形のパイプである。しかし、配管2の断面形状は、円形に限定されない。例えば図4に示すように、配管2の断面形状は矩形であっても良い。
The
図5は、本発明の実施の形態1に係る熱電発電装置が備える熱電発電ユニットの斜視図である。この熱電発電ユニット11は、図5に示すように、発電部51と、冷却部52とに大別される。発電部51には、熱電発電により得られた電力を外部に出力するための電線53が設けられている。
FIG. 5 is a perspective view of a thermoelectric generation unit included in the thermoelectric generator according to
図6は、発電部の構成例を示す分解図である。この発電部51は、配管2側から、熱伝達媒体61、熱電変換モジュール62、及び熱伝達媒体63が重ねられた構造体である。熱伝達媒体61は、配管2に直接、接触させる媒体であり、熱伝達媒体63は、冷却部52と直接、接触させる媒体である。熱電変換モジュール62は、この2つの熱伝達媒体61、63間に挟まれている。それにより、熱電変換モジュール62では、熱伝達媒体61と接する面が高温側の面、つまり配管2からの熱量が流入する第1の面となり、熱伝達媒体63と接する面、つまり第1の面と対向する面が低温側の第2の面となる。熱電変換モジュール62は、それら両面の温度差に応じて発電を行い、その発電により得られた電力を2本の電線53により外部に供給する。熱電変換モジュール62は、周知の技術を用いて作製されるもので良いことから、詳細な説明は省略する。
FIG. 6 is an exploded view showing a configuration example of the power generation unit. The power generation unit 51 is a structure in which a heat transfer medium 61, a thermoelectric conversion module 62, and a
図7は、冷却部の例を示す斜視図である。この冷却部52は、本実施の形態1に係る冷却装置に相当する部品であり、図7に示すように、受熱板71、ヒートパイプ72、放熱板73、支持部材74、及び固定部材75を備えている。
FIG. 7 is a perspective view showing an example of a cooling section. The
受熱板71は、熱伝達媒体63と接触させる媒体であり、熱電変換モジュール62の低温側の面である第2の面からの熱量が熱伝達媒体63を介して伝達される。そのために、受熱板71は、熱伝達媒体63とほぼ同じ形状で同じ大きさとなっている。ヒートパイプ72は、受熱板71と固定部材75との間に挟持されたように固定される部品である。ヒートパイプ72は、図7に示すように、固定部材75の長手方向に沿って、受熱板71に取り付けられている。ヒートパイプ72の取付方法としては、例えばろう接を挙げることができる。その取付方法は、特に限定されるものではないが、受熱板71からヒートパイプ72への熱伝達が効率的に行える方法を採用するのが好ましい。
The
このろう接には、使用する溶加材の種類によって、ろう付けとはんだ付けに区分されている。溶加材の違いにより、ろう付けは、はんだ付けより高温で行われる。ろう付けは、はんだ付けと比較し、耐熱性、及び強度ともに非常に優れている。 Brazing is classified into brazing and soldering according to the type of filler material used. Brazing is performed at higher temperatures than soldering due to differences in filler metals. Brazing is much superior to soldering in terms of both heat resistance and strength.
固定部材75には、受熱板71の反対側に突出する4つの突出部75aが設けられている。取付部材15を構成する各接続板15aには、この突出部75aを挿入するための穴が設けられている。それにより、固定部材75は、図2に示すように、各熱電発電ユニット11を連結させつつ、各熱電発電ユニット11を取り付けるべき場所に固定するために用いられる。接続板15aに接触させるベルト状の部材により各熱電発電ユニット11を配管2に取り付ける場合、突出部75aは、そのベルト状の部材が配管2の軸方向上にズレるのを防止するように機能する。固定部材75の受熱板71への取付方法は、特に限定されるものではないが、例えばろう接を挙げることができる。
The fixing
ヒートパイプ72は、図7に示すように、受熱板71の長手方向全体にわたる中央部分が直線状である。その直線状の中央部分は、支持部材74により周囲が覆われた状態となっている。それにより、ヒートパイプ72は、支持部材74を介して、受熱板71からの熱量が伝達される。ヒートパイプ72の取り付けにこのような構造を採用したのは、周囲を覆う支持部材74によりヒートパイプ72をより安定的に固定すると共に、そのヒートパイプ72に熱量を伝達する面積をより大きくするためである。その面積をより大きくすることにより、受熱板71からヒートパイプ72への熱量の伝達はより効率的に行わせることができる。
As shown in FIG. 7, the
なお、支持部材74は、ヒートパイプ72を直接、受熱板71に取り付けることにより、不要としても良い。また、ヒートパイプ72の固定に、固定部材75を用いても良い。これは、固定部材75を介した受熱板71からヒートパイプ72への熱伝達が期待できるからである。何れの変形例でも、より効率的な熱伝達を実現するために、ろう接を採用するか、或いは併用するのが好ましい。
The
そのヒートパイプ72は、全体的にはU字型の形状であり、受熱板71と支持部材74を介して接する部分から両端部にいくにつれて、受熱板71と発電部51とを重ねる方向上の距離が長くなっている。放熱板73は、熱量の放熱のための部材であり、ヒートパイプ72の両端側に複数、取り付けられている。放熱板73が取り付けられているのは、受熱板71と発電部51とを重ねる方向と平行か、或いはほぼ平行となっている部分である。以降、この重ねる方向は「高さ方向」と表記する。この高さ方向は、配管2の径方向と基本的に一致する。
The
ヒートパイプ72の直線状の受熱板71と接する部分は、受熱板71熱量が伝達されることから、内部の作動液が蒸発する蒸発部である。放熱板73が取り付けられる部分は、気化した作動液が液化する凝縮部である。
A portion of the
なお、ヒートパイプ72の形状は、U字型に限定されない。ヒートパイプ72に、直線状の中央部分から両端にいくにつれて高さ方向が長くなる形状を採用しているのは、その方向が長くなるほど、言い換えれば配管2から離すほど、より温度の低い空気を放熱板73に接触させられると期待できるからである。そのような空気が接触すると期待できる形状であれば良いことから、ヒートパイプ72の全体的な形状は、円弧状、V字型、等であっても良い。
Note that the shape of the
また、本実施の形態1では、ヒートパイプ72を一本としているが、ヒートパイプ72は2本以上としても良い。例えば図8に示すように、2本のヒートパイプ72(1)、72(2)を受熱板71の短手方向上に並べ、その受熱板71に取り付けても良い。図8では、ヒートパイプ72を2本としたことから、ヒートパイプ72の受熱板71からの高さは図7に示すヒートパイプ72よりも低くなっている。
In addition, although one
熱電発電ユニット11、つまり熱電変換モジュール62の発電量は、高温側の面と低温側の面との間の温度差の2乗に比例する。熱電発電装置10の設置環境は一定と想定した場合、その温度差をより大きくするためには、冷却部52の熱抵抗をより小さくする、つまり冷却部52の放熱に関与する表面積を大きくして冷却性能をより向上させる必要がある。
The amount of power generated by the thermoelectric generation unit 11, that is, the thermoelectric conversion module 62, is proportional to the square of the temperature difference between the high temperature side surface and the low temperature side surface. Assuming that the installation environment of the
冷却部52の熱抵抗をより小さくするほど、その冷却部52の設置に必要な空間はより大きくなり、その冷却部52の重量はより重くなる。これは、冷却部52の空気に触れる面積をより大きくさせる必要があるからである。その面積をより大きくするためには、放熱板73の枚数をより多くすると共に、ヒートパイプ72をより長くする、受熱板71とヒートパイプ72の接触部である蒸発部の接触面積を広くすることも有効であるため、受熱板71の長手方向上の長さを長くすると共に、厚みを厚くして熱電変換モジュール62からの熱量が受熱板の端部までより伝達されるようにする、といったことが必要である。そのため、冷却部52の製造コスト、つまり熱電発電装置10の製造コストもより上昇することになる。
The smaller the thermal resistance of the cooling
一方、冷却部52の熱抵抗がより大きくなるほど、熱電変換モジュール62の高温側の面と低温側の面との間の温度差はより小さくなり、熱電変換モジュール62、つまり熱電発電ユニット11の発電量はより少なくなる。そのため、熱電発電装置10の発電量を一定レベル以上とさせるような場合、必要な熱電変換モジュール62の数はより多くなる。
On the other hand, the greater the thermal resistance of the cooling
このように、冷却部52の熱抵抗は、熱電発電装置10の構成、及び構造に大きく影響する。そこで、熱電変換モジュール62の熱抵抗を基準に、その熱電変換モジュール62の熱抵抗と冷却部52の熱抵抗との間の熱抵抗比による各種特性の変化をシミュレーションにより試算した。この熱抵抗比は、冷却部52の熱抵抗を熱電変換モジュール62の熱抵抗により除算して得られる値である。この熱抵抗比は以降「冷却性能比」と表記する。
Thus, the thermal resistance of the cooling
冷却性能比が小さいとき、冷却部52は熱電変換モジュール62より熱抵抗が小さいので、熱電変換モジュール62の高温側の面と低温側の面との間の温度差はより大きくなる。この温度差が大きくなることから、熱電変換モジュール62、つまり熱電発電ユニット11の発電量はより多くなる。
When the cooling performance ratio is small, the cooling
冷却性能比による各種特性の変化を説明する前に、図9、及び図10を参照し、冷却性能比による冷却部52の外形の変化について具体的に説明する。図9は、冷却性能比が0.3の場合の冷却部の例を示す図であり、図10は、冷却性能比が0.1の場合の冷却部の例を示す図である。
Before describing changes in various characteristics due to the cooling performance ratio, changes in the outer shape of the
ここでは、図9、及び図10に示すように、冷却部52として、受熱板71に一方の端部を含む部分が取り付けられ、その部分から他方の端部にいくにつれて高さが高くなるヒートパイプ72、つまり全体の形状がL字型のヒートパイプ72を用いた冷却部52を例にとっている。
Here, as shown in FIGS. 9 and 10, as the cooling
形状の表現では、部材等に係わらず、図9に示すように、受熱板71の長手方向上の長さを長さL、その短手方向上の長さを幅W、受熱板71と発電部51が重なる方向の長さは高さH、とそれぞれ表記する。冷却部52の高さHは、受熱板71の底面、つまり熱伝達媒体63と接する面を基準に表現する。
9, the length of the
熱量の除去は、つまり放熱は、主に放熱板73によって行われる。放熱板73に放熱させる熱量が大きくなるほど、受熱板71からヒートパイプ72への熱量の伝達量をより大きくする必要がある。このことから、図9、及び図10に示すように、冷却部52の熱抵抗を小さくし冷却性能比を小さくさせるほど、放熱板73の枚数はより多く、ヒートパイプ72の長さはより長くする必要がある。加えて、図10に示すように、受熱板71自体をより大きくして、例えば長さLをより長くして、より大きい熱量がヒートパイプ72に伝達されるようにする必要がある。そのため、冷却性能比を小さくするほど、冷却部52の体積はより大きくなり、その重量はより重くなる。冷却部52の体積は、例えば冷却部52自体の幅W、長さL、高さHを乗算して得られる値である。
The removal of the amount of heat, that is, the heat dissipation, is mainly performed by the
図11は、冷却性能比による熱電変換モジュールの発電量の変化、及び重量比の変化の各例を説明する図である。図11では、横軸に冷却性能比、右縦軸に重量比、左縦軸に発電量、をそれぞれとっている。重量比は、冷却性能比が0.05の冷却部52を基準とした値であり、冷却性能比がxのときの重量比は、冷却性能比がxのときの冷却部52の重量を冷却性能比が0.05のときの冷却部52の重量で除算し100を乗算して算出される。単位は%である。
FIG. 11 is a diagram illustrating examples of changes in the amount of power generated by the thermoelectric conversion module and changes in the weight ratio depending on the cooling performance ratio. In FIG. 11, the horizontal axis represents the cooling performance ratio, the right vertical axis represents the weight ratio, and the left vertical axis represents the power generation amount. The weight ratio is a value based on the
図11では、冷却性能比による発電量の変化は○を付した線で表し、冷却性能比による重量比の変化は△を付した線で表している。 In FIG. 11, the change in the power generation amount due to the cooling performance ratio is indicated by the line with ◯, and the change in the weight ratio due to the cooling performance ratio is indicated by the line with Δ.
図11に示すように、熱電変換モジュール62、つまり熱電発電ユニット11の発電量を増加させるためには、冷却性能比を小さくする必要がある。これは、上記のように、冷却性能比が小さくなるほど、熱電変換モジュール62の高温側の面と低温側の面との間の温度差がより大きくなるためである。しかし、冷却性能比を小さくするほど、上記のように、冷却部52の体積はより大きくなり、重量比は大きくなる。1つの熱電発電ユニット11の発電量はできるだけ多く、重量比は小さくなるように鑑みると、冷却性能比が0.05から0.1に変化する間に重量比は大きく低下するのに対し、発電量の低下は十数%にとどまっている。
As shown in FIG. 11, in order to increase the amount of power generated by the thermoelectric conversion module 62, that is, the thermoelectric generation unit 11, it is necessary to reduce the cooling performance ratio. This is because, as described above, the smaller the cooling performance ratio, the larger the temperature difference between the high temperature side surface and the low temperature side surface of the thermoelectric conversion module 62 . However, the smaller the cooling performance ratio, the larger the volume of the
なお、冷却部52の重量は、体積に強く依存し、ほぼ体積に比例する。このことから、重量比の代わりに体積比を用いても良い。体積比は、例えば重量比と同様に、基準とする冷却性能比のときの冷却部52の体積を基準体積として、冷却性能比がxのときの体積比は、冷却性能比がxのときの冷却部52の体積を基準体積で除算し100を乗算して算出すれば良い。
It should be noted that the weight of the
図12は、冷却性能比による熱電発電装置の総発電量の変化、及び設置可能な熱電発電ユニットの数の変化の各例を説明する図である。図12では、横軸に冷却性能比、右縦軸に設置可能な熱電発電ユニット11の数である設置可能数、左縦軸に総発電量、をそれぞれとっている。冷却性能比による総発電量の変化は○を付した線で表し、冷却性能比による設置可能数の変化は□を付した線で表している。 FIG. 12 is a diagram illustrating examples of changes in the total amount of power generated by the thermoelectric generator and changes in the number of installable thermoelectric generator units depending on the cooling performance ratio. In FIG. 12, the horizontal axis represents the cooling performance ratio, the right vertical axis represents the number of installable thermoelectric generation units 11, and the left vertical axis represents the total power generation. The change in the total power generation due to the cooling performance ratio is indicated by the line with circles, and the change in the installable number due to the cooling performance ratio is indicated by the line with squares.
総発電量の増加は、各熱電発電ユニット11の発電量を増加させる、熱電発電ユニット11の数を多くする、等により実現できる。各熱電発電ユニット11の発電量を増加させるためには、図11に示すように、冷却性能比を小さくする必要がある。しかし、図12に示すように、冷却性能比を小さくするほど、設置可能数は少なくなる。冷却性能比が0.5から1に変化する間は、設置可能数が増えても、総発電量は大きく増えない。これは、冷却性能比が0.5から1に変化する間では、各熱電発電ユニット11における温度差の低下が比較的に大きくなるからである。熱電発電ユニット11の発電量は温度差の二乗で低下することから、この温度差の低下により、冷却性能比が0.5から1に変化する間、個々の熱電発電ユニット11の発電量は低下する傾向となる。 An increase in the total amount of power generation can be achieved by increasing the amount of power generated by each thermoelectric generation unit 11, increasing the number of thermoelectric generation units 11, or the like. In order to increase the amount of power generated by each thermoelectric generation unit 11, it is necessary to reduce the cooling performance ratio as shown in FIG. However, as shown in FIG. 12, the smaller the cooling performance ratio, the smaller the number of units that can be installed. While the cooling performance ratio changes from 0.5 to 1, even if the number of installable units increases, the total power generation does not increase significantly. This is because while the cooling performance ratio changes from 0.5 to 1, the drop in temperature difference in each thermoelectric generator unit 11 is relatively large. Since the amount of power generated by the thermoelectric generation unit 11 decreases with the square of the temperature difference, the decrease in temperature difference causes the amount of power generated by each thermoelectric generation unit 11 to decrease while the cooling performance ratio changes from 0.5 to 1. tend to
図13は、冷却性能比による熱電発電装置での重量比の変化、及び一定の発電量を得るのに必要な熱電発電ユニットの数の変化の各例を説明する図である。図13では、横軸に冷却性能比、右縦軸に必要な熱電発電ユニット11の数である必要数、左縦軸に重量比、をそれぞれとっている。重量比の変化は△を付した線で表し、必要数の変化は□を付した線で表している。熱電発電装置での重量は、熱電発電ユニット11の重量と必要数とを乗算した値であり、その重量比は、熱電発電ユニット11と同様に、冷却性能比が0.05のときの熱電発電装置10を基準とした値である。冷却性能比が0.05の熱電発電装置10とは、冷却性能比が0.05の熱電発電ユニット11を採用した熱電発電装置10のことである。
FIG. 13 is a diagram illustrating examples of changes in the weight ratio in a thermoelectric power generator and changes in the number of thermoelectric power generation units required to obtain a certain amount of power generation, depending on the cooling performance ratio. In FIG. 13, the horizontal axis represents the cooling performance ratio, the right vertical axis represents the required number of thermoelectric generator units 11 required, and the left vertical axis represents the weight ratio. The change in weight ratio is represented by the line with △, and the change in the required number is represented by the line with □. The weight of the thermoelectric generator is a value obtained by multiplying the weight of the thermoelectric generator unit 11 by the required number. These values are based on the
図13に示すように、一定の発電量を得るためには、冷却性能比が大きくなるほど、必要数量が多くなり、必要数量が多いほど、熱電発電装置10の重量は軽くなる。重量は体積にほぼ比例することから、重量が軽くなるほど、熱電発電装置10は小型となる。
As shown in FIG. 13 , in order to obtain a certain amount of power generation, the larger the cooling performance ratio, the larger the required quantity, and the larger the required quantity, the lighter the weight of the
熱電発電装置10も熱電発電ユニット11と同様に、冷却性能比が0.05から0.1に変化する間に重量比は大きく低下するのに対し、必要数の増加は比較的に少ない。また、冷却性能比が0.5から1.0に変化する間では、重量の変化は小さくとも、必要数は大きく増加している。これは、上記のように、個々の熱電発電ユニット11の発電量が低下するからである。このようなことから、費用対効果、つまり製造コスト対総発電量が高くなるのは、冷却性能比が0.1~0.5の冷却部52をもつ熱電発電ユニット11を採用した場合だとわかる。
As with the thermoelectric generator unit 11, the weight ratio of the
上記のようなことから、本実施の形態1では、冷却性能比を0.1~0.5の間、つまり冷却部52の熱抵抗を熱電変換モジュール62の熱抵抗の10%以上50%以下としている。そのような熱抵抗の冷却部52を用いることにより、最適な熱電発電装置10を得ることができる。つまり大型化、重量化、及び製造コストを抑制しつつ、より大きい総発電量が得られる熱電発電装置10を実現させることができる。大型化、重量化、及び製造コストの抑制は、費用対効果の低い大型で重量のある冷却部52を採用しない、総電力量の増大が期待できない、或いは増大できる発電量が小さいような熱電発電ユニット11を設置しない、といったことから実現できる。それらの抑制により、より総発電量の多い熱電発電装置10をより安価に得ることができる。
From the above, in
なお、本実施の形態1では、冷却性能比を0.1~0.5の間としているが、その範囲は多少、変動させても良い。例えば、熱電発電装置10の重量比は、図13に示すように、冷却性能比が0.1から0.2に変化するまでの間の変化量が他の部分と比較して大きくなっている。このことを重視し、冷却性能比を0.2~0.5までの間としても良い。
Although the cooling performance ratio is set between 0.1 and 0.5 in the first embodiment, the range may be changed to some extent. For example, as shown in FIG. 13, the weight ratio of the
実施の形態2.
上記実施の形態1では、上記のように、熱電発電装置10が取り付けられるのは、配管2が水平、或いはほぼ水平となっている部分と想定している。これに対し、本実施の形態2では、配管2の鉛直方向上の位置を変化させる部分、例えば鉛直、或いはほぼ鉛直となっている部分に取り付けられるのを想定している。ここでは、上記実施の形態1と同じ、或いは相当するものには同一の符号を付し、上記実施の形態1から異なる部分にのみ着目して説明を行う。
In
図14は、本発明の実施の形態2に係る熱電発電装置の設置例を示す斜視図であり、図15は、本発明の実施の形態2に係る熱電発電装置が備える熱電発電ユニットの配置例を示す図である。
FIG. 14 is a perspective view showing an installation example of a thermoelectric power generator according to
図14、及び図15に示すように、本実施の形態2に係る熱電発電装置10は、配管2の鉛直、或いはほぼ鉛直となっている部分、つまり軸方向が図14中に矢印で示す鉛直方向と平行、或いはほぼ平行となっている部分に取り付けられている。その熱電発電装置10では、図15に示すように、配管2の周囲全体に熱電発電ユニット11が配置されている。
As shown in FIGS. 14 and 15, in the
上記実施の形態1では、ヒートパイプ72はU字型の形状であり、図2に示すように、配管2の軸方向に沿って受熱板71に取り付けられている。その軸方向が鉛直方向であった場合、ヒートパイプ72の2つ存在する凝縮部のうちの一方は、蒸発部より下になる。凝縮部が蒸発部よりも下になる状態はトップヒートと呼ばれ、ヒートパイプ72の熱輸送量は著しく低下する。上記実施の形態1において、配管2の上方部分にのみ熱電発電ユニット11を設置しているのは、このトップヒートを回避させるためである。
In
図16は、本発明の実施の形態2に係る熱電発電装置に用いられる冷却部の例を示す斜視図である。この冷却部52は、本実施の形態2に係る冷却装置に相当する構成要素である。
FIG. 16 is a perspective view showing an example of a cooling unit used in a thermoelectric generator according to
本実施の形態2では、図16に示すように、全体の形状がL字型のヒートパイプ72(1)、72(2)2を受熱板71に取り付けている。受熱板71に取り付けているのは、各ヒートパイプ72(1)、72(2)の一方の端部を含む直線状となっている部分であり、放熱板73は、その直線状の部分から離れた箇所と他方の端部との間に取り付けられている。放熱板73が取り付けられている部分は、図14に示すように、熱電発電装置10を配管2に取り付けた場合に、上側となる。放熱板73が干渉しないように、各ヒートパイプ72(1)、72(2)の鉛直方向上の位置、及びその鉛直方向と直交する直交方向上の位置は、図16に示すように異ならせている。放熱板73の幅W、及び長さLは、ヒートパイプ72が1本の場合と比較して、共に短くさせている。
In the second embodiment, as shown in FIG. 16, heat pipes 72(1) and 72(2)2 having an overall L-shape are attached to a
このような冷却部52を用いることにより、配管2の鉛直となっている部分に熱電発電装置10を取り付ける場合であっても、トップヒートとなるのを回避させることができる。そのため、配管2の鉛直となっている部分に熱電発電装置10を取り付ける場合、上記実施の形態1と比較して、同じ体積、同じ重量での熱抵抗はより小さくさせることができる。従って、より安価に、より総発電量の多い熱電発電装置10を実現させることができるようになる。
By using such a
なお、本実施の形態2では、ヒートパイプ72を2本、受熱板71に取り付けているが、図9に示すように、ヒートパイプ72は1本としても良い。ヒートパイプ72の本数は3以上であっても良い。また、配管2の水平、或いはほぼ水平となっている部分に熱電発電装置10を取り付ける場合、図17に示すように、受熱板71の長手方向上の両側に放熱板73が位置するように2本のヒートパイプ72を受熱板71に取り付けるようにしても良い。このこともあり、ヒートパイプ72は、放熱板73が設けられた部分が受熱板71の長手方向上の何れの側であっても取り付けられるようにするのが望ましい。
Although two
実施の形態3.
上記実施の形態2では、図15に示すように、ヒートパイプ72は配管2の径方向上に沿って突出している。そのため、熱電発電装置10を配管2に取り付ける場合、配管2の径方向上の広い範囲に障害物が存在しないことが条件となる。このことから、本実施の形態3は、配管2の径方向上に必要とする範囲、つまり径方向上の設置スペースをより小さくさせたものである。その範囲をより小さくすることにより、上記実施の形態2では設置できない場所にも熱電発電装置を設置することができる。ここでも上記実施の形態2と同様に、上記実施の形態1と同じ、或いは相当するものには同一の符号を付し、上記実施の形態2から異なる部分にのみ着目して説明を行う。
In the second embodiment, as shown in FIG. 15, the
図18は、本発明の実施の形態3に係る熱電発電装置の設置例を示す斜視図であり、図19は、本発明の実施の形態3に係る熱電発電装置が備える熱電発電ユニットの配置例を示す図である。また、図20は、本発明の実施の形態3に係る熱電発電装置に用いられる冷却部の例を示す斜視図である。この冷却部52は、本実施の形態3に係る冷却装置に相当する構成要素である。
FIG. 18 is a perspective view showing an installation example of a thermoelectric power generator according to
図18、及び図19に示すように、本実施の形態3に係る熱電発電装置10は、上記実施の形態2と同様に、配管2の鉛直、或いはほぼ鉛直となっている部分、つまり図18中に矢印で示す鉛直方向と平行、或いはほぼ平行となっている部分に取り付けられている。その熱電発電装置10では、図19に示すように、配管2の周囲全体に熱電発電ユニット11が配置されている。
As shown in FIGS. 18 and 19, the
上記実施の形態2では、図16に示すように、ヒートパイプ72はL字型の形状であり、一方の端部は配管2の径方向に沿って突出している。その径方向上に突出する部分、つまり高さHをより低くするために、本実施の形態3では、図18、及び図20に示すように、ヒートパイプ72の放熱板73が取り付けられた部分は、受熱板71から配管2の軸方向上に沿って突出させるようにしている。ヒートパイプ72の本数は2本としている。
In the second embodiment, as shown in FIG. 16, the
本実施の形態3では、図20に示すように、ヒートパイプ72として、全体の形状がクランク状、つまり直角、或いは直角に近い角度で2度、反対方向に曲げて得られる形状のヒートパイプ72(1)、72(2)を用いている。そのために、各ヒートパイプ72は、曲がる方向が異なる2箇所の曲り部72a、72bを有している。
In the third embodiment, as shown in FIG. 20, the
受熱板71に取り付けているのは、各ヒートパイプ72(1)、72(2)の一方の端部を含む直線状となっている部分であり、放熱板73は、その直線状の部分から離れた箇所と他方の端部との間に取り付けられている。放熱板73が取り付けられている部分は、図18に示すように、熱電発電装置10を配管2に取り付けた場合、鉛直方向上、受熱板71より上側になる。放熱板73が干渉しないように、各ヒートパイプ72(1)、72(2)の配管2の径方向上の位置、及びその周方向上の位置は、図19に示すように異ならせている。放熱板73の幅W、及び長さLは、ヒートパイプ72が1本の場合と比較して、共に短くさせている。
Attached to the
このような冷却部52の構造とすることにより、図19に示すように、配管2の径方向上の熱電発電装置10の設置に必要な空間は、上記実施の形態2と比較して、より小さくすることができる。そのため、本実施の形態3では、上記実施の形態2では設置できない場所にも熱電発電装置10を設置させることができる。
By adopting such a structure of the cooling
なお、本実施の形態3では、曲り部72a、72bで曲がる角度は直角、或いは直角に近い角度としているが、その角度に限定されない。このことから、ヒートパイプ72は、Z字型であっても良い。また、曲がる方向は反対方向でなくとも良い。
In the third embodiment, the angles at which the bent portions 72a and 72b are bent are right angles or angles close to right angles, but are not limited to these angles. Therefore, the
例えば高さ方向、長さ方向をそれぞれ軸とする2次元平面を想定する。その2次元平面において、曲り部72aと曲り部72bとの間の部分と高さ方向とが成す角度をα、曲り部72aから先の部分と高さ方向とが成す角度をβとする。曲り部72aと曲り部72bとの間の部分とは、例えばヒートパイプ72のその間の部分における軸方向である。曲り部72aから先の部分とは、例えばヒートパイプ72のその先の部分における軸方向である。
For example, assume a two-dimensional plane whose axes are the height direction and the length direction. In the two-dimensional plane, let α be the angle formed between the portion between the curved portion 72a and the curved portion 72b and the height direction, and let β be the angle formed between the portion beyond the curved portion 72a and the height direction. The portion between the curved portion 72a and the curved portion 72b is, for example, the axial direction of the portion of the
このように想定した場合、角度αの絶対値<角度βの絶対値、の関係を満たすように、曲り部72a、72bの曲がる角度、曲がる方向を決定すれば良い。これは、その関係が満たされる場合、ヒートパイプ72の長さが同じであれば、曲り部72bだけが存在する場合の高さH>曲り部72a、72bが存在する場合の高さH、となるからである。言い換えれば、曲り部72bだけが存在する場合の長さL<曲り部72a、72bが存在する場合の長さL、となるからである。このため、配管2の径方向上の熱電発電装置10の設置に必要な空間を上記実施の形態2よりも小さくさせることができる。曲り部の数は3以上であっても良いが、基準とする角度をαと想定した場合、上記関係を満たす角度βを実現させる曲り部を1つ以上、設ける必要がある。
In this assumption, the bending angles and bending directions of the bent portions 72a and 72b may be determined so as to satisfy the relationship of absolute value of angle α<absolute value of angle β. If the relationship is satisfied, if the length of the
また、本実施の形態3では、ヒートパイプ72を2本、用いているが、図21に示すように、ヒートパイプ72は1本のみであっても良い。ヒートパイプ72の本数は3以上であっても良い。また、配管2の水平、或いはほぼ水平となっている部分に熱電発電装置10を取り付けるような場合、図17に示すように、受熱板71の長手方向上の両側に放熱板73が位置するように2本のヒートパイプ72を受熱板71に取り付けても良い。また、1本のヒートパイプ72の両端側に放熱板73を設け、そのヒートパイプ72の中央部分を受熱板71に取り付けるようにしても良い。このヒートパイプ72は、2本以上、受熱板71に取り付けても良い。
Also, although two
本実施の形態1~3では、1つの熱電変換モジュール62、つまり1つの発電部51に1つの冷却部52を取り付けるようにしている。これは、熱電発電装置10の取り付けを想定する配管2の断面形状として円形を想定しているためである。しかし、熱電発電装置10を取り付けるのは配管2に限定されるものではなく、熱電発電装置10は平坦な部分に設置しても良い。このこともあり、複数の発電部51に1つの冷却部52を取り付ける、言い換えれば1つの熱電発電ユニット11に複数の熱電変換モジュール62を用いるようにしても良い。
In
また、本実施の形態1~3では、熱電発電装置10は複数の熱電発電ユニット11、つまり複数の熱電変換モジュール62を備えているが、熱電変換モジュール62の数は特に限定されるものではない。
Further, in
1 工場設備、2 配管、10 熱電発電装置、11 熱電発電ユニット、51 発電部、52 冷却部(冷却装置)、61、63 熱伝達媒体、62 熱電変換モジュール、71 受熱板、72、72(1)、72(2) ヒートパイプ、73 放熱板。 1 factory equipment, 2 piping, 10 thermoelectric generator, 11 thermoelectric generator unit, 51 power generation section, 52 cooling section (cooling device), 61, 63 heat transfer medium, 62 thermoelectric conversion module, 71 heat receiving plate, 72, 72 (1 ), 72(2) heat pipe, 73 radiator plate.
Claims (4)
前記熱電変換モジュールの前記配管と対向する面に固定される受熱板と、
屈曲形状をなし、前記屈曲形状の一端が蒸発部、他端が凝縮部を形成し、前記軸方向において前記凝縮部が前記蒸発部よりも高い位置となるよう前記受熱板に固定される複数のヒートパイプと、
前記ヒートパイプの前記蒸発部を含む部分を前記受熱板に固定する固定部材と
を備える熱電発電装置。 a thermoelectric conversion module fixed to the outer circumference of a pipe whose axial direction is parallel to the vertical direction ;
a heat receiving plate fixed to a surface of the thermoelectric conversion module facing the pipe;
A plurality of heat-receiving plates having a curved shape, one end of which forms an evaporating portion and the other end of which forms a condensing portion, and which are fixed to the heat receiving plate so that the condensing portion is positioned higher than the evaporating portion in the axial direction. a heat pipe and
a fixing member that fixes a portion of the heat pipe including the evaporator to the heat receiving plate.
請求項1に記載の熱電発電装置。 The plurality of heat pipes are bent in an L-shape, one side of the L-shape is fixed to the pipe as the evaporator, and the other side of the L-shape is positioned higher than the evaporator as the condenser. The thermoelectric generator of claim 1, fixed.
請求項1に記載の熱電発電装置。 The plurality of heat pipes are bent in a crank shape, and the first sides of the plurality of heat pipes bent in the crank shape are fixed to the pipe as the evaporator and extend parallel to the first side. A second side is fixed as the condensation section at a position higher than the evaporation section, and a third side connecting the first side and the second side extends in a direction separating the condensation section from the pipe. The thermoelectric generator according to claim 1.
請求項1から3のいずれか1項に記載の熱電発電装置。 The thermoelectric generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat resistance of the cooling section including the heat pipe as a component is 10% or more and 50% or less of the heat resistance of the thermoelectric conversion module.
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Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004129442A (en) | 2002-10-04 | 2004-04-22 | Okano Electric Wire Co Ltd | Power-generating set |
JP2004254387A (en) | 2003-02-19 | 2004-09-09 | Hitachi Ltd | Power converter |
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JP2010505383A (en) | 2006-09-28 | 2010-02-18 | ローズマウント インコーポレイテッド | Thermoelectric generator assembly for field process equipment |
JP2012164793A (en) | 2011-02-07 | 2012-08-30 | Nec Corp | Thermal power generation apparatus |
JP2014031912A (en) | 2012-08-01 | 2014-02-20 | Ntec Co Ltd | Radiator |
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Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004129442A (en) | 2002-10-04 | 2004-04-22 | Okano Electric Wire Co Ltd | Power-generating set |
JP2004254387A (en) | 2003-02-19 | 2004-09-09 | Hitachi Ltd | Power converter |
JP2006064365A (en) | 2004-07-29 | 2006-03-09 | Citizen Watch Co Ltd | Temperature regulator |
JP2010505383A (en) | 2006-09-28 | 2010-02-18 | ローズマウント インコーポレイテッド | Thermoelectric generator assembly for field process equipment |
JP2012164793A (en) | 2011-02-07 | 2012-08-30 | Nec Corp | Thermal power generation apparatus |
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