JPH08107688A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、熱電変換素子と熱伝達部の接触熱抵
抗の低減、低温熱伝達部の入口と出口の温度差の低減お
よびポンプ動力等の補器機動力の低減を図り、高効率な
熱電変換装置を提供することを目的とする。 【構成】本発明は、低温熱伝達部として複数の小形低温
熱伝達部５０２を用い、複数の熱電変換素子５３の各々
に対して該小形低温熱伝達部５０２を各々接触させると
ともに、低温熱媒体循環管路の代わりに、伸縮、曲げが
可能な可動部分を有するヒートパイプ７００を前記小形
低温熱伝達部５０２と放熱装置６００との間に各々独立
に接続し、前記熱電変換素子５３を介して前記小形低温
熱伝達部５０２に伝達された熱を前記ヒートパイプ７０
０によって前記放熱装置６００に搬送する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱電変換素子に温度差
を与えることにより発電を行う熱電変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、熱機関や燃料電池、電子機器等の
排熱を有効に利用するため、熱を電気に直接変換する熱
電変換装置の研究開発がさかんに行われている。

【０００３】従来の熱電変換装置の構成例を図６に示
す。この装置は熱供給装置１０、高温熱媒体循環管路２
０、高温熱媒体３０、高温熱媒体循環ポンプ４０、発電
部５０、放熱装置６０、低温熱媒体循環管路７０、低温
熱媒体８０、低温熱媒体循環ポンプ９０から構成され、
発電部５０は高温熱伝達部５１、低温熱伝達部５２、熱
電変換素子５３からなる。

【０００４】本装置の動作を以下に示す。

【０００５】熱供給装置１０は、高温熱媒体３０を加熱
昇温する。加熱昇温された高温熱媒体３０は、高温熱媒
体循環ポンプ４０により高温熱媒体循環管路２０を通し
て搬送され、発電部５０内の高温熱伝達部５１に供給さ
れる。一方、放熱装置６０は、低温熱媒体８０を冷却降
温する。冷却降温された低温熱媒体８０は、低温熱媒体
循環ポンプ９０により低温熱媒体循環管路７０を通して
搬送され、発電部５０内の低温熱伝達部５２に供給され
る。発電部５０内の熱電変換素子５３は、高温熱伝達部
５１と低温熱伝達部５２の両者の間にそれぞれ接触して
設置されているため、高温熱伝達部５１において高温熱
媒体３０から伝達された熱が熱電変換素子５３を貫流
し、低温熱伝達部５２において低温熱媒体８０に伝達さ
れる。このとき熱電変換素子５３には熱抵抗が存在する
ため両端に温度差が発生し、これにより電力が生じる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしこの装置では、
個々の熱電変換素子５３の厚さにばらつきがある場合、
図７に示すように熱電変換素子５３と高温熱伝達部５１
もしくは低温熱伝達部５２の間に隙間が生じるため、場
所によって熱電変換素子５３と高温熱伝達部５１および
低温熱伝達部５２の接触圧力が不均一になる。従って、
最適な接触圧力が与えられない箇所では接触熱抵抗が増
加するため、熱電変換素子５３に印加される温度差が減
少して装置の効率が低下することが問題となる。この問
題を解決するためには、熱電変換素子の厚さのばらつき
にあわせて、高温熱伝達部５１または低温熱伝達部５２
の接触面に凹凸を設ける方法が考えられるが加工費の増
加による装置価格の上昇が甚だしいため現実的な方法と
はいい難い。

【０００７】また、本装置では低温熱媒体８０の温度が
低温熱伝達部５２の出口に近くなるにつれて上昇するた
め、出口付近に設置された熱電変換素子では印加される
温度差が減少して装置の変換効率が低下することも問題
となる。この問題を解決する方法として、低温熱媒体８
０の循環流速を上げ、低温熱伝達部５２の入口と出口の
温度差を低減する方法が考えられるが、この方法は低温
熱媒体循環ポンプ９０動力の増加をまねき、装置効率の
低下の原因となる。

【０００８】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、熱電変換素子と熱伝達部の接触熱抵抗の低減、低温
熱伝達部の入口と出口の温度差の低減およびポンプ動力
等の補器機動力の低減を図り、高効率な熱電変換装置を
提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の熱電変換装置は、低温熱伝達部として複数の
小形低温熱伝達部を用い、熱電変換素子各々もしくは素
子厚の等しい数個単位に対して個々の小形低温熱伝達部
を接触させる。また、複数の小形低温熱伝達部と放熱装
置の間に伸縮、曲げが可能な可動部を有するヒートパイ
プを接続し、小形低温熱伝達部から放熱装置に熱を搬送
させる。

【００１０】

【作用】上記手段により本発明では、熱電変換素子の厚
さにあわせて各々の小形低温熱伝達部の位置を変えられ
るため、個々の熱電変換素子と小形低温熱伝達部の接触
圧力を最適にでき、接触熱抵抗を大幅に低減することが
可能である。また、小形低温熱伝達部は各々独立に放熱
装置に接続されているため、個々の小形低温熱伝達部の
温度を場所によらず一定とすることができる。さらに、
小形低温熱伝達部と放熱装置の間の熱の搬送はヒートパ
イプにより無動力で行われる。

【００１１】

【実施例】以下、図１〜図５を参照して本発明の実施例
を詳細に説明する。ここで、図１（ａ），図２，図４
（ａ）は熱電変換素子各々に小形低温熱伝達部を接触さ
せた例を示し、図１（ｂ），図３，図４（ｂ）は素子厚
の等しい複数個単位の熱電変換素子に小形低温熱伝達部
を接触させた例を示す。即ち、図１〜図３に示すよう
に、本装置は熱供給装置１０、高温熱媒体循環管路２
０、高温熱媒体３０、高温熱媒体循環ポンプ４０、発電
部５００、放熱装置６００、ヒートパイプ７００から構
成される。発電部５００は高温熱伝達部５１、小形低温
熱伝達部５０２、熱電変換素子５３からなる。放熱装置
６００はヒートパイプ７００に取つけられた放熱フィン
６０１、放熱ファン６０２からなる。また、ヒートパイ
プ７００の一部は伸縮、曲げが可能なフレキシブルチュ
ーブ７００１で構成される。

【００１２】本装置の動作を以下に示す。

【００１３】熱供給装置１０は、高温熱媒体３０を加熱
昇温する。加熱昇温された高温熱媒体３０は高温熱媒体
循環ポンプ４０により高温熱媒体循環管路２０を通して
搬送され、発電部５００内の高温熱伝達部５１に供給さ
れる。発電部５０内の熱電変換素子５３は、高温熱伝達
部５１と複数の小形低温熱伝達部５０２の間にそれぞれ
接触して設置されており、高温熱伝達部５１において高
温熱媒体３０から伝達された熱が熱電変換素子５３を貫
流し、小形低温熱伝達部５０２に伝達される。小形低温
熱伝達部５０２に伝達された熱は小形低温熱伝達部５０
２内部に挿入されたヒートパイプ７００を通して放熱装
置６００に搬送され、放熱ファン６０２により強制空冷
されている放熱フィン６０１を介して大気中に放出され
る。このとき熱電変換素子５３には熱抵抗が存在するた
め両端に温度差が発生し、これにより電力が生じる。

【００１４】本実施例では、図４に示すように熱電変換
素子５３の厚さにあわせて各々の小形低温熱伝達部５０
２の位置を変えられるため、個々の熱電変換素子５３と
小形低温熱伝達部５０２の接触圧力を最適にでき、接触
熱抵抗を大幅に低減することが可能である。また、小形
低温熱伝達部５０２はヒートパイプ７００を介して各々
独立に放熱装置６００に接続されているため、個々の小
形低温熱伝達部５０２の温度を場所によらず一定とする
ことができる。さらに、ヒートパイプ７００により、小
形低温熱伝達部５０２と放熱装置６００の間の熱の搬送
は無動力で行える。

【００１５】本実施例において、ヒートパイプ７００の
容器材料および小形低温熱伝達部５０２の材料として
は、銅、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、ニッケル、
タングステン、タンタル、ニオブ合金、インコネル、チ
タン、ガラス、セラミック等が使用できる。

【００１６】ヒートパイプ７００としてウィック式ヒー
トパイプ、ブルーブ式ヒートパイプ、熱サイフォン式ヒ
ートパイプ等いかなる種類のヒートパイプも使用可能で
あり、作動流体としてはフレオン、アンモニア、アセト
ン、メタノール、エタノール、ヘプタン、水等、気液二
相変態が可能な流体であれば使用可能である。また、フ
レキシブルチューブ７００１としては、銅、ステンレス
鋼、アルミニウム製等のコルゲート型ヒートパイプ等が
使用できる。

【００１７】また、本実施例では放熱装置６００とし
て、強制空冷形放熱装置を取り上げているが、自然空冷
形、水冷形放熱装置等ヒートパイプを利用できる放熱装
置であれば使用できる。

【００１８】熱電変換素子５３としては素子両端に温度
差を与えることにより発電が可能な熱電半導体を用いた
物理電池、あるいは電気化学的温度差電池を使用するこ
とができる。このような物理電池として、ビスマス−テ
ルル系、鉛−テルル系、鉄−シリコン系、シリコン−ゲ
ルマニウム系、ビスマス−アンチモン系、ガリウム−リ
ン系のｎ型−ｐ型熱電半導体を電気的に直列接続してユ
ニット化したサーモモジュールが使用可能である。一
方、電気化学的温度差電池は、高低温電極間に酸化還元
電位が温度により変化することに起因する熱起電力を発
現する化学種を配置し、温度差間で発電する機能を有す
る熱電変換器であり、フェロシアン／フェリシアンレド
ックス対、鉄イオンレドックス対、臭素等の化学種を用
いたレドックス電池等および温度差により発電可能なあ
らゆる発電手段を用いることができる。

【００１９】さらに、熱供給装置１０としては、ボイラ
をはじめ熱機関の排熱回収装置、燃料電池排ガス系の排
熱回収装置、燃料電池冷却水系の排熱回収装置等、高温
熱媒体３０の加熱昇温が可能な装置であれば使用でき
る。

【００２０】本実施例で、熱電変換素子５３としてビス
マス−テルル系の熱電半導体を使用した場合の素子（モ
ジュール）あたりの発電電力の平均値を従来例と比較し
て、接触圧力とモジュールあたりの発電電力の関係とと
もに図５に示す。モジュールあたりの発電電力は接触圧
力を高くすると増加し、４００ｋｇｗ／ｍｏｄｕｌｅの
時に最大値４．０Ｗ／ｍｏｄｕｌｅとなった。従来例で
は、モジュールごとの接触圧力にばらつきが生じたた
め、発電電力の平均値は３．４５Ｗ／ｍｏｄｕｌｅであ
ったのに対し、実施例ではモジュールごとの接触圧力を
個々に調節して４００ｋｇｗ／ｍｏｄｕｌｅとできたた
め、発電電力の平均値は４．０Ｗ／ｍｏｄｕｌｅとな
り、従来例に比ベて約１６％増加させることができた。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、熱電
変換素子と熱伝達部の接触熱抵抗の抑制、低温熱伝達部
入口と出口の温度差の低減およびポンプ動力等の補器機
動力の低減が可能で高効率な熱電変換装置が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成説明図で、（ａ）
は熱電変換素子各々に小形低温熱伝達部を接触させた例
を示し、（ｂ）は素子厚の等しい複数個単位の熱電変換
素子に小形低温熱伝達部を接触させた例を示す。

【図２】本発明の他の実施例を示す構成説明図で、熱電
変換素子各々に小形低温熱伝達部を接触させた例を示
す。

【図３】本発明の他の実施例を示す構成説明図で、素子
厚の等しい複数個単位の熱電変換素子に小形低温熱伝達
部を接触させた例を示す。

【図４】本発明の異なる他の実施例を示す構成説明図
で、（ａ）は熱電変換素子各々に小形低温熱伝達部を接
触させた例を示し、（ｂ）は素子厚の等しい複数個単位
の熱電変換素子に小形低温熱伝達部を接触させた例を示
す。

【図５】本発明の実施例の発電電力を従来例と比較した
特性図である。

【図６】従来の熱電変換装置を示す構成説明図である。

【図７】従来の熱電変換装置の問題点を説明するための
説明図である。

【符号の説明】

１０…熱供給装置、２０…高温熱媒体循環管路、３０…
高温熱媒体、４０…高温熱媒体循環ポンプ、５０…発電
部、５１…高温熱伝達部、５２…低温熱伝達部、５３…
熱電変換素子、６０…放熱装置、７０…低温熱媒体循環
管路、８０…低温熱媒体、９０…低温熱媒体循環ポン
プ、５００…発電部、５０２…小形低温熱伝達部、６０
０…放熱装置、６０１…放熱フィン、６０２…放熱ファ
ン、７００…ヒートパイプ、７００１…フレキシブルチ
ューブ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 功 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱供給装置と、該熱供給装置により加熱
   された高温熱媒体を循環させる高温熱媒体循環管路と、 放熱装置と、該放熱装置により冷却された低温熱媒体を
   循環させる低温熱媒体循環管路と、 高温熱伝達部と、低温熱伝達部と、該高温熱伝達部と該
   低温熱伝達部の間に接触して設置した複数の熱電変換素
   子からなる発電部で構成され、 前記高温熱媒体循環管路を通して前記高温熱伝達部に供
   給される前記加熱された高温熱媒体から、前記低温熱媒
   体循環管路を通して前記低温熱伝達部に供給される前記
   冷却された低温熱媒体へ、前記熱電変換素子を介して熱
   を伝達させることにより、前記熱電変換素子両端に温度
   差を発生させることにより電力を発生させる熱電変換装
   置において、 前記低温熱伝達部として複数の小形低温熱伝達部を用
   い、前記複数の熱電変換素子各々に対して該小形低温熱
   伝達部を各々接触させるとともに、前記低温熱媒体循環
   管路の代わりに、伸縮、曲げが可能な可動部分を有する
   ヒートパイプを前記小形低温熱伝達部と前記放熱装置と
   の間に各々独立に接続し、前記熱電変換素子を介して前
   記小形低温熱伝達部に伝達された熱を前記ヒートパイプ
   によって前記放熱装置に搬送されることを特徴とした熱
   電変換装置。
2. 【請求項２】 熱供給装置と、該熱供給装置により加熱
   された高温熱媒体を循環させる高温熱媒体循環管路と、 放熱装置と、該放熱装置により冷却された低温熱媒体を
   循環させる低温熱媒体循環管路と、 高温熱伝達部と、低温熱伝達部と、該高温熱伝達部と該
   低温熱伝達部の間に接触して設置した複数の熱電変換素
   子からなる発電部で構成され、 前記高温熱媒体循環管路を通して前記高温熱伝達部に供
   給される前記加熱された高温熱媒体から、前記低温熱媒
   体循環管路を通して前記低温熱伝達部に供給される前記
   冷却された低温熱媒体へ、前記熱電変換素子を介して熱
   を伝達させることにより、前記熱電変換素子両端に温度
   差を発生させることにより電力を発生させる熱電変換装
   置において、 前記低温熱伝達部として複数の小形低温熱伝達部を用
   い、前記複数の熱電変換素子の素子厚の等しい複数個単
   位に対して該小形低温熱伝達部を各々接触させるととも
   に、前記低温熱媒体循環管路の代わりに、伸縮、曲げが
   可能な可動部分を有するヒートパイプを前記小形低温熱
   伝達部と前記放熱装置との間に各々独立に接続し、前記
   熱電変換素子を介して前記小形低温熱伝達部に伝達され
   た熱を前記ヒートパイプによって前記放熱装置に搬送さ
   れることを特徴とした熱電変換装置。