JP7657461B2 - 熱電発電機能付きチューブ型熱交換器 - Google Patents

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Description

この発明は、排熱チューブの熱で熱電発電を行う機能を有する熱交換器に関する。
現代の産業社会において、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いる。そして、その廃熱の７５％以上が、２５０℃以下の排水や排気と推定されている。
これらの廃熱は、一般的に排熱チューブを通じて輸送される。排熱チューブ内を流れる高温ガス等の熱を、排熱チューブ外に流れる冷水等で熱交換するチューブ型熱交換器では、高温ガスの冷却はできるが、冷水に交換された熱の再活用が難しく、省エネ化の課題になっている。
特許文献１には、図４に示すように、高温ガス１００Ａ等が流れる排水パイプ１００の外側と、冷却水１２０Ａが流れる冷却水パイプ１２０の間に、フレキシブル構造の熱電発電モジュール１１０を装着し、その温度差を利用して発電する熱電発電機能付きチューブ型熱交換器が開示されている。
特開２００９－２６７３１６号公報
特許文献１に開示された熱電発電機能付きチューブ型熱交換器では、直接、熱電発電モジュール１１０を水冷するため、熱電発電モジュール１１０の外側に、防水シート等を装着するなどの防水手段を設ける必要がある。しかしながら、防水シート等の防水手段を設けると、熱ロスが発生するため、熱電発電モジュール１１０の発電効率が低下するという課題があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、その主な目的は、熱ロスが少なく、発電効率の大きい熱電発電機能付きチューブ型熱交換器を提供することにある。
本発明に係る熱電発電機能付きチューブ型熱交換器は、排熱チューブの外周面に装着された熱電発電モジュールと、熱電発電モジュールの外周面に装着され、冷却材が流れる冷却管とを備え、熱電発電モジュールは、排熱チューブの外周面を高温源、冷却管の内周面を低温源として熱電発電を行い、冷却管は、熱電発電モジュールの外面に密着している。
本発明によれば、熱ロスが少なく、発電効率の大きい熱電発電機能付きチューブ型熱交換器を提供することができる。
図１は、本発明の一実施形態における熱電発電機能付きチューブ型熱交換器の構成を示した外観斜視図である。 図２は、図１に示した熱電発電機能付きチューブ型熱交換器の断面図である。 図３は、本発明の変形例における熱電発電機能付きチューブ型熱交換器の断面図である。 図４は、従来の熱電発電機能付きチューブ型熱交換器の外観斜視図である。
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機能付きチューブ型熱交換器（以下、単に「熱交換器」という）の構成を模式的に示した図である。図１は、熱交換器の外観斜視図で、一部欠損させて内部構造が分かるようにしている。図２は、熱交換器の軸方向に垂直な断面図である。ここで、「軸方向」は、排熱チューブ１の中心軸方向を言う。
図１及び図２に示すように、本実施形態におけるチューブ型熱交換器は、排熱チューブ１の外周面に装着されたフレキシブルな熱電発電モジュール２と、熱電発電モジュール２の外周面に装着され、冷却水等の冷却材４が流れる冷却管３とを備えている。熱電発電モジュール２は、排熱チューブ１の外周面を高温源、冷却管３の内周面を低温源として熱電発電を行う。
熱電発電モジュール２は、周方向の一部に、軸方向に沿って延びる間隙８が設けられている。冷却管３は、内管３ａと外管３ｂとからなる二重冷却管からなる。内管３ａ及び外管３ｂは、軸方向端部で溶接されている。図中の符号５は、溶接部を示す。あるいは、内管３ａ及び外管３ｂの軸方向端部を樹脂６でシールしてもよい。
内管３ａは、熱電発電モジュール２の外周面に密着して巻き付けられている。これにより、冷却管３は、熱電発電モジュール２の外周面に密着している。その結果、熱電発電モジュール２において、熱ロスが少なくなり、温度差を大きくできるため、発電効率を大きくすることができる。
なお、内管３ａの周方向における巻き付け両端部は、間隙８の位置で、軸方向に沿って溶接されている。これにより、内管３ａを溶接する際の熱による熱電発電モジュール２への悪影響を回避することができる。
例えば、１０ｃｍ角の熱電発電モジュール２を、外周３４ｃｍの排熱チューブ１に３枚巻き付けると、３ｃｍの間隙８ができる。熱電発電モジュール２の外周面に、厚さ０．１ｍｍのステンレス板からなる内管３ａを密着して巻き付け、間隙８の上で、レーザー溶接を行う。内管３ａの外周面に、２ｃｍの間隔を開けて、厚さ０．１ｍｍのステンレス板からなる外管３ｂを巻き付け、あるいは既存の管を挿入し、内管３ａ及び外管３ｂの軸方向端部を溶接、あるいは樹脂シールする。これにより、二重冷却管３が形成される。
本実施形態によれば、熱ロスが少なく、発電効率の大きい熱電発電機能付きチューブ型熱交換器を実現することができる。また、冷却管３は、内管３ａと外管３ｂとからなる二重冷却管で構成した場合、内管３ａの巻き付け両端部を、熱電発電モジュール２に設けた間隙８の位置で溶接することによって、内管３ａを溶接する際の熱による熱電発電モジュール２への悪影響を回避することができる。
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、排熱チューブ１の外周面に、放熱シート（不図示）を噛ませて、熱電発電モジュール２を装着してもよい。さらに、図２に示すように、熱電発電モジュール２と冷却管３との間に、熱伝達シート７を設けてもよい。これにより、排熱チューブ１から冷却管３に至る熱電発電モジュールの装着に係る熱ロスをさらに低減することができる。その結果、熱電発電モジュール２における温度差をさらに大きくすることができるため、発電効率をより大きくすることができる。
放熱シートは、例えば、熱伝導率１０Ｗ／ｍＫ、厚さ０．１ｍｍのシリコーンシートを用いることができる。熱伝達シート７は、例えば、熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ、厚さ０．１ｍｍの柔軟性のカーボンシートを用いることができる。あるいは、熱伝達シート７として、柔軟性を有する多孔質金属膜、金属メッキが施された織物等を用いることもできる。放熱シート及び熱伝達シート７は、熱電発電モジュール２を装着し、内管３ａを密着して巻き付ける際に、熱電発電モジュール２に対するクッション材としても機能する。
また、図３に示すように、排熱チューブ１の外周面に、集熱体９を噛まして、熱電発電モジュール２を装着してもよい。これにより、排熱チューブ１からの集熱を効率化し、熱電発電モジュールの高温源における温度をさらに高めることができる。その結果、熱電発電モジュール２における温度差をさらに大きくすることができるため、発電効率をより大きくすることができる。集熱体９は、例えば、厚さ０．２ｍｍの銅板を用いることができる。
また、排熱チューブ１の外周面に、熱伝達シートを噛まして、熱電発電モジュール２を装着してもよい。熱伝達シートは、例えば、熱伝導率３０Ｗ/ｍＫ、厚さ０．１ｍｍの柔軟性のカーボンシートを用いることができる。なお、集熱体９と熱伝達シートとを併用しても良い。
１ 排熱チューブ
２ 熱電発電モジュール
３ 冷却管
３ａ 内管
３ｂ 外管
５ 溶接部
４ 冷却材
６ 樹脂
７ 熱伝達シート
８ 間隙
９ 集熱体

Claims (6)

  1. 排熱チューブの外周面に装着された熱電発電モジュールと、
    前記熱電発電モジュールの外周面に装着され、冷却材が流れる冷却管と
    を備えたチューブ型熱交換器であって、
    前記熱電発電モジュールは、前記排熱チューブの外周面を高温源、前記冷却管の内周面を低温源として熱電発電を行い、
    前記熱電発電モジュールは、周方向の一部に、軸方向に沿って延びる間隙が設けられており、
    前記冷却管は、内管と外管とからなる二重冷却管からなり、
    前記内管は、前記熱電発電モジュールの外周面に巻き付けられており、
    前記内管の周方向における巻き付け両端部は、前記間隙の位置で、軸方向に沿って溶接されており、
    前記内管は、前記熱電発電モジュールの外周面に密着している、熱電発電機能付きチューブ型熱交換器。
  2. 前記熱電発電モジュールの外周面と、前記冷却管の内周面との間に、熱伝達シートがさらに設けられている、請求項１に記載の熱電発電機能付きチューブ型熱交換器。
  3. 前記熱伝達シートは、柔軟性を有する多孔質金属膜で構成されている、請求項２に記載の熱電発電機能付きチューブ型熱交換器。
  4. 前記熱伝達シートは、金属メッキを施した織物で構成されている、請求項２に記載の熱電発電機能付きチューブ型熱交換器。
  5. 前記熱伝達シートは、柔軟性のカーボンシートで構成されている、請求項２に記載の熱電発電機能付きチューブ型熱交換器。
  6. 前記排熱チューブの外周面と、前記熱電発電モジュールの内周面との間に、集熱体がさらに設けられている、請求項１または２に記載の熱電発電機能付きチューブ型熱交換器。
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