WO2015159496A1 - 熱電発電装置 - Google Patents

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absorption
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紀彦 小林
然暢 鄭
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パナソニックIpマネジメント株式会社
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N10/13Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
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    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric power generator that performs thermoelectric power generation using heat discharged from an internal combustion engine of a vehicle such as an automobile.
  • thermoelectric power generation apparatus that performs thermoelectric power generation using heat discharged from an internal combustion engine of a vehicle such as a conventional automobile
  • heat insulation between the heat dissipation surface and the heat absorption surface of the thermoelectric conversion element is ensured, and the thermoelectric conversion element is defined as a heat dissipation surface.
  • a fitting hole for fitting the thermoelectric conversion element is provided in the holding member of the thermoelectric conversion element, and the heat dissipation surface and the heat absorption surface are formed by the protrusion provided on the holding member.
  • the thing which made the point contact is known (for example, refer patent document 1).
  • the present invention reduces the heat conduction between the heat dissipation surface and the heat absorption surface by the holding member, and is not limited by the distance between the heat dissipation surface and the heat absorption surface, and improves the heat insulation between the heat dissipation surface and the heat absorption surface.
  • a power generation device is provided.
  • the thermoelectric power generation device includes a thermoelectric conversion element, a heat radiation side housing, and a heat absorption side housing.
  • the thermoelectric conversion element has a heat dissipation surface and a heat absorption surface, and generates an electromotive force due to a temperature difference between the heat dissipation surface and the heat absorption surface.
  • the heat radiation side housing performs heat transfer with the heat radiation surface.
  • the heat absorption side housing performs heat transfer with the heat absorption surface.
  • the heat radiation side housing and the heat absorption side housing are joined to the plane including the heat absorption surface at a position farther than the plane including the heat dissipation surface.
  • the heat conduction between the heat radiating surface and the heat absorbing surface is reduced, and the heat generation property between the heat radiating surface and the heat absorbing surface is improved without being limited to the distance between the heat radiating surface and the heat absorbing surface. Can be provided.
  • thermoelectric power generator in embodiment of this invention 1 is an exploded perspective view of the thermoelectric generator shown in FIG. Top view of the thermoelectric generator shown in FIG. Sectional view of the thermoelectric generator shown in FIG. Sectional drawing of the other heat radiation
  • thermoelectric power generation device using a conventional holding member
  • the heat conductivity of the holding member itself is larger than the heat conductivity of air.
  • the heat dissipation surface and the heat absorption surface are in point contact in the vicinity of the thermoelectric conversion element, and the effect of heat insulation by point contact is limited by the distance between the heat dissipation surface and the heat absorption surface.
  • thermoelectric generator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • FIG. 1 is a perspective view of a thermoelectric generator 100 according to the present embodiment
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the thermoelectric generator 100
  • FIG. 3 is a top view of the thermoelectric generator 100
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the thermoelectric generator 100. is there.
  • thermoelectric conversion element 202 that performs thermoelectric generation according to a temperature difference between the heat radiation surface 410 and the heat absorption surface 210 includes a heat radiation surface that includes the heat radiation surface 410 as a part.
  • the heat sink side housing 200 having the housing 204 and the heat absorbing surface 210 as a part is disposed inside the housing.
  • thermoelectric generator 100 releases the heat of the heat radiation surface 410 by a water flow.
  • Thermoelectric generators 100 are installed in a vehicle muffler or the like, or installed by extending a plurality of units, and use the exhaust heat of the engine.
  • the thermoelectric generator 100 needs to keep the internal thermoelectric conversion element 202 in a fixed position against the vibration of the vehicle.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the thermoelectric generator 100.
  • the heat absorption side housing 200 is provided with a plurality of protrusions 201 on the heat absorption surface 210 in order to dispose the thermoelectric conversion element 202 at a fixed position.
  • the protrusion 201 has a height that does not contact the heat radiation surface of the heat radiation side housing 204 so that heat conduction from the heat absorption surface 210 to the heat radiation surface 410 does not occur.
  • thermoelectric conversion element 202 is an element that converts thermal energy into electrical energy. Specifically, the thermoelectric conversion element 202 is an element utilizing the Seebeck effect in which an electromotive force is generated when a temperature difference is generated between both ends, and is configured by joining two different metals or semiconductors.
  • thermoelectric conversion element 202 is disposed on the heat absorption side housing 200 on the heat absorption surface 210 via heat resistant grease (not shown).
  • the heat conductive sheet 203 improves the adhesion between the thermoelectric conversion element 202 and the heat radiation surface 410 shown in FIG. 4, and improves the heat transfer efficiency.
  • the heat radiation side housing 204 is provided with heat radiation fins 205 for enhancing the water cooling effect.
  • the heat radiation side housing 204 is bonded and bonded to the heat radiation side housing upper portion 207 via an elastic packing 206.
  • a cooling water introduction port 208 and a discharge port 209 are provided in the heat radiation side housing upper part 207 in order to cool the heat radiation surface 410 of the heat radiation side housing 204. That is, the heat radiation side housing 204 includes an introduction port 208 and an outlet port 209 and has a water channel through which cooling water flows.
  • the heat radiation side housing upper part 207, the heat radiation side housing 204, and the heat absorption side housing 200 are integrated by a screw member 310.
  • FIG. 3 is a top view of the thermoelectric generator 100 shown in FIG. 4 is a cross-sectional view of the thermoelectric generator 100 taken along line 4-4 of FIG.
  • thermoelectric conversion element 202 is disposed at a predetermined position on the heat absorbing surface 210 by a protrusion 201 (see FIG. 2) provided on the heat absorbing surface 210 of the heat absorbing side housing 200.
  • thermoelectric conversion element 202 is sandwiched between the heat-absorbing surface 210 of the heat-absorbing-side housing 200 and the heat-dissipating surface 410 of the heat-dissipating-side housing 204 by joining the heat-absorbing-side housing 200 and the heat-dissipating-side housing 204 of the joint portion 420.
  • thermoelectric conversion element 202 is stably arranged by the protrusion 201 provided on the heat absorption surface 210, the heat absorption surface 210 of the heat absorption side housing 200, and the heat radiation surface 410 of the heat radiation side housing 204.
  • the joint portion 420 is located above the heat radiation surface 410 of the heat radiation side housing 204, the heat radiation side housing 204 that is an extension of the heat radiation surface 410, the heat absorption side housing 200 that is an extension of the heat absorption surface 210, and the joint portion 420.
  • the cavity 300 which is a closed space is formed.
  • thermoelectric conversion element In the cavity 300, only air having a lower thermal conductivity than the general holding member of the thermoelectric conversion element is interposed.
  • the thermal conductivity of air is 0.0386 W / m ⁇ K at 200 ° C.
  • the thermoelectric power generation apparatus 100 includes the thermoelectric conversion element 202, the heat radiation side casing 204, and the heat absorption side casing 200.
  • the thermoelectric conversion element 202 has a heat radiation surface 410 and a heat absorption surface 210, and generates an electromotive force due to a temperature difference between the heat radiation surface 410 and the heat absorption surface 210.
  • the heat radiation side housing 204 performs heat transfer with the heat radiation surface 410.
  • the heat absorption side housing 200 performs heat transfer with the heat absorption surface 210.
  • the heat radiation side housing 204 and the heat absorption side housing 200 are joined to the plane including the heat absorption surface 210 at a distance from the plane including the heat radiation surface 410.
  • heat conduction between the heat dissipation surface 410 and the heat absorption surface 210 is reduced, and the heat dissipation surface 410 and the heat absorption surface 210 are not limited to the distance between the heat dissipation surface 410 and the heat absorption surface 210. Insulation between them is improved.
  • thermoelectric generator 100 a cavity 300 in which only air is interposed is provided between the heat radiation side housing 204 and the heat absorption side housing 200.
  • thermoelectric generator 100 has a protrusion 201 spaced from the heat radiating surface 410 while restricting the position of the thermoelectric conversion element 202 on the surface in contact with the heat absorbing surface 210 of the heat absorbing side housing 200.
  • thermoelectric conversion element 202 is stably installed between the heat absorption side casing 200 and the heat dissipation side casing 204.
  • thermoelectric conversion element 202 is stably installed between the heat absorption side casing 200 and the heat dissipation side casing 204.
  • thermoelectric generator 100 the heat-dissipation side housing 204 and the heat-absorption side housing 200 are not vertically extended from the heat-absorbing surface 210 and the heat-dissipation surface 410, but are separated from each other in the vertical direction with respect to the heat-absorption surface 210 and the heat-dissipation surface 410. It is joined with. Therefore, it becomes possible to arrange a plurality of thermoelectric generators 100 in the lateral direction at short intervals between the heat absorption surfaces 100.
  • thermoelectric generator of the present invention is useful as a thermoelectric generator that performs thermoelectric generation using heat discharged from an internal combustion engine of a vehicle such as an automobile.
  • Thermoelectric generator 100 Heat absorption side housing

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Abstract

 熱電発電装置は、熱電変換素子と、放熱側筐体と、吸熱側筐体とを有する。熱電変換素子は、放熱面と吸熱面とを有し、放熱面と吸熱面との温度差により起電力を発生する。放熱側筐体は放熱面と熱伝達を行う。吸熱側筐体は吸熱面と熱伝達を行う。吸熱面を含む平面に対し、放熱面を含む平面よりも遠方にて、放熱側筐体と吸熱側筐体とが接合している。

Description

熱電発電装置
 本発明は、自動車等の車両の内燃機関から排出される熱を利用して熱電発電を行う熱電発電装置に関する。
 従来の自動車等の車両の内燃機関から排出される熱を利用して熱電発電を行う熱電発電装置として、熱電変換素子の放熱面と吸熱面間の断熱性を確保し熱電変換素子を放熱面と吸熱面間に安定して介装するために、熱電変換素子の保持部材に熱電変換素子を嵌合するための嵌合孔を設け、保持部材に設けられた突起により放熱面と吸熱面とを点接触させたものが知られている(例えば特許文献1参照)。
特開2013-110218号公報
 本発明は、保持部材による放熱面と吸熱面間の熱伝導を低減し、放熱面と吸熱面間との距離に制限されることなく、放熱面と吸熱面間の断熱性を向上させた熱電発電装置を提供する。
 本発明における熱電発電装置は、熱電変換素子と、放熱側筐体と、吸熱側筐体とを有する。熱電変換素子は、放熱面と吸熱面とを有し、放熱面と吸熱面との温度差により起電力を発生する。放熱側筐体は放熱面と熱伝達を行う。吸熱側筐体は吸熱面と熱伝達を行う。吸熱面を含む平面に対し、放熱面を含む平面よりも遠方にて、放熱側筐体と吸熱側筐体とが接合している。
 本発明によれば、放熱面と吸熱面間の熱伝導を低減し、放熱面と吸熱面間の距離に限定されることなく、放熱面と吸熱面間の断熱性を向上させた熱電発電装置を提供することができる。
本発明の実施の形態における熱電発電装置の斜視図 図1に示す熱電発電装置の分解斜視図 図1に示す熱電発電装置の上面図 図1に示す熱電発電装置の断面図 本発明の実施の形態における熱電発電装置に用いる他の放熱側筐体の断面図
 本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来の熱電発電装置における問題点を簡単に説明する。従来の保持部材を用いた熱電発電装置では、保持部材自体の熱伝導率が空気の熱伝導率よりも大きい。また、熱電変換素子の近辺で放熱面と吸熱面とが点接触しており、点接触による断熱性の効果は放熱面と吸熱面間との距離により制限されている。
 以下、本発明の実施の形態における熱電発電装置について図面を参照しながら説明する。
 図1は本実施の形態における熱電発電装置100の斜視図、図2は熱電発電装置100の分解斜視図、図3は熱電発電装置100の上面図、図4は熱電発電装置100の断面図である。
 図4に示すように、熱電発電装置100の内部には、放熱面410と吸熱面210との温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換素子202が、放熱面410を一部とする放熱側筐体204と吸熱面210を一部とする吸熱側筐体200とで構成された筐体の内部に配置されている。
 発電効率を高めるためには、放熱面410と吸熱面210との温度差を確保する必要があり、吸熱面210から放熱面410への熱伝導をできる限り少なくする必要がある。また、放熱面410と吸熱面210との間の断熱性を向上させる必要がある。
 熱電発電装置100は、水流によって放熱面410の熱を放出する。
 熱電発電装置100は、車両のマフラー等に複数個設置または複数個分拡張して設置され、エンジンの排熱を利用する。熱電発電装置100は車両の振動に対し、内部の熱電変換素子202を定位に保つ必要がある。
 図2は、熱電発電装置100の分解斜視図である。吸熱側筐体200には、熱電変換素子202を定位置に配置するために吸熱面210上に突起201が複数個設けられている。突起201は、吸熱面210から放熱面410への熱伝導が生じないように放熱側筐体204の放熱面に接しない高さになっている。
 熱電変換素子202は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。熱電変換素子202は、具体的には、両端に温度差を生じさせると起電力が生じるゼーベック効果を利用した素子であり、2種類の異なる金属または半導体を接合して構成される。
 熱電変換素子202は耐熱グリス(図示せず)を介して、吸熱面210で吸熱側筐体200に配置される。
 熱伝導シート203は、熱電変換素子202と、図4に示す放熱面410との密着性を向上させ、熱の伝達効率を向上させる。
 放熱側筐体204には、水冷効果を高めるための放熱フィン205が設けられている。放熱側筐体204は、弾性体のパッキン206を介して放熱側筐体上部207が圧着、接合される。放熱側筐体上部207には、放熱側筐体204の放熱面410を冷却するために、冷却水の導入口208、導出口209が設けられている。すなわち、放熱側筐体204は、導入口208、導出口209を含み、冷却水を流す水路を有する。
 放熱側筐体上部207、放熱側筐体204、吸熱側筐体200は、ネジ部材310によって統合される。
 図3は、図1に示す熱電発電装置100を上部から見た図である。図4は、熱電発電装置100を図3の4-4線における断面図である。
 図4において、熱電変換素子202は、吸熱側筐体200の吸熱面210の上に設けられた突起201(図2参照)により、吸熱面210の上での定められた位置に配置される。
 吸熱側筐体200と放熱側筐体204とは、熱電変換素子202から離れた接合部420のみで接合している。接合部420の吸熱側筐体200と放熱側筐体204との接合により、熱電変換素子202は、吸熱側筐体200の吸熱面210と放熱側筐体204の放熱面410とにより挟持される。
 熱電変換素子202は、吸熱面210の上に設けられた突起201と吸熱側筐体200の吸熱面210と放熱側筐体204の放熱面410とにより安定して配置される。
 接合部420は、放熱側筐体204の放熱面410より上部に位置し、放熱面410の延長である放熱側筐体204と吸熱面210の延長である吸熱側筐体200と接合部420とにより閉空間である空洞300を構成する。
 空洞300には、熱電変換素子の一般的な保持部材と比較して熱伝導率が低い空気のみが介在する。空気の熱伝導率は、200°Cにおいて、0.0386W/m・Kである。
 以上のように熱電発電装置100は、熱電変換素子202と、放熱側筐体204と、吸熱側筐体200とを有する。熱電変換素子202は、放熱面410と吸熱面210とを有し、放熱面410と吸熱面210との温度差により起電力を発生する。放熱側筐体204は、放熱面410と熱伝達を行う。吸熱側筐体200は、吸熱面210と熱伝達を行う。放熱側筐体204と吸熱側筐体200とは、吸熱面210を含む平面に対し、放熱面410を含む平面よりも遠方にて接合している。
 上記構成により、放熱面410と吸熱面210との間の熱伝導を低減し、放熱面410と吸熱面210との間との距離に限定されることなく、放熱面410と吸熱面210との間の断熱性が向上する。
 また、熱電発電装置100では、放熱側筐体204と吸熱側筐体200との間に、空気のみが介在する空洞300が設けられている。
 上記構成により、放熱面410と吸熱面210との間の断熱性がさらに向上する。
 また、熱電発電装置100は、吸熱側筐体200における吸熱面210と接する面に、熱電変換素子202の位置を規制するとともに、放熱面410から離間した突起201を有する。上記構成により、熱電変換素子202は、吸熱側筐体200と放熱側筐体204との間に安定して設置される。
 なお、図5に示すように、突起201に代えて、放熱側筐体204における放熱面410と接する面に、熱電変換素子202の位置を規制するとともに、吸熱面210と離間した突起501を設けてもよい。上記構成によっても、熱電変換素子202は、吸熱側筐体200と放熱側筐体204との間に安定して設置される。
 また、熱電発電装置100では、放熱側筐体204と吸熱側筐体200とが、吸熱面210、放熱面410の延長方向ではなく、吸熱面210、放熱面410に対し縦方向に離れた位置で接合している。そのため、複数の熱電発電装置100を横方向に、短い吸熱面100間の間隔で配置することが可能となる。
 本発明の熱電発電装置は、自動車等の車両の内燃機関から排出される熱を利用して熱電発電を行う熱電発電装置として有用である。
100  熱電発電装置
200  吸熱側筐体
201,501  突起
202  熱電変換素子
203  熱伝導シート
204  放熱側筐体
205  放熱フィン
206  パッキン
207  放熱側筐体上部
208  導入口
209  導出口
210  吸熱面
300  空洞
310  ネジ部材
410  放熱面
420  接合部

Claims (5)

  1. 放熱面と吸熱面とを有し、前記放熱面と前記吸熱面との温度差により起電力を発生する熱電変換素子と、
    前記放熱面と熱伝達を行う放熱側筐体と、
    前記吸熱面と熱伝達を行う吸熱側筐体と、を備え、
    前記吸熱面を含む平面に対し、前記放熱面を含む平面よりも遠方にて、前記放熱側筐体と前記吸熱側筐体とが接合している、
    熱電発電装置。
  2. 前記放熱側筐体と、前記吸熱側筐体との間に空洞が設けられている、
    請求項1記載の熱電発電装置。
  3. 前記放熱側筐体は、冷却水を流す水路を有する、
    請求項1、2のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
  4. 前記吸熱側筐体における前記吸熱面と接する面に、前記熱電変換素子の位置を規制するとともに、前記放熱面から離間した突起が設けられた、
    請求項1から3のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
  5. 前記放熱側筐体における前記放熱面と接する面に、前記熱電変換素子の位置を規制するとともに、前記吸熱面から離間した突起が設けられた、
    請求項1から3のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
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JPH11287876A (ja) * 1998-04-02 1999-10-19 Seiko Instruments Inc 電子時計
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