WO2021149326A1 - 熱電発電機能付きチューブ型熱交換器 - Google Patents

熱電発電機能付きチューブ型熱交換器 Download PDF

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惠一 大畑
菜緒 馬島
昭彦 池村
岡嶋　道生
修太郎 南部
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株式会社Ｅサーモジェンテック
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    • F28F2275/06—Fastening; Joining by welding

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger having a function of generating thermoelectric power with the heat of an exhaust heat tube.
  • waste heats are generally transported through a heat exhaust tube.
  • a tube-type heat exchanger that exchanges heat such as high-temperature gas flowing inside the exhaust heat tube with cold water flowing outside the exhaust heat tube can cool the high-temperature gas, but can reuse the heat exchanged for cold water. It is difficult and has become an issue of energy saving.
  • thermoelectric power generation module 110 having a flexible structure is mounted between the outside of the drainage pipe 100 through which the high temperature gas 100A or the like flows and the cooling water pipe 120 through which the cooling water 120A flows.
  • a tube-type heat exchanger with a thermoelectric power generation function that generates electricity by utilizing the temperature difference is disclosed.
  • thermoelectric power generation module 110 In the tube-type heat exchanger with a thermoelectric power generation function disclosed in Patent Document 1, in order to directly cool the thermoelectric power generation module 110 with water, it is necessary to provide a waterproof means such as attaching a waterproof sheet or the like to the outside of the thermoelectric power generation module 110. There is. However, if a waterproof means such as a waterproof sheet is provided, heat loss occurs, so that there is a problem that the power generation efficiency of the thermoelectric power generation module 110 is lowered.
  • the present invention has been made in view of this point, and a main object thereof is to provide a tube-type heat exchanger with a thermoelectric power generation function having a small heat loss and a high power generation efficiency.
  • the tube-type heat exchanger with a thermoelectric power generation function includes a thermoelectric power generation module mounted on the outer peripheral surface of the exhaust heat tube and a cooling pipe mounted on the outer peripheral surface of the thermoelectric power generation module through which a cooling material flows.
  • the thermoelectric generation module uses the outer peripheral surface of the exhaust heat tube as a high temperature source and the inner peripheral surface of the cooling pipe as a low temperature source to perform thermoelectric power generation, and the cooling pipe is in close contact with the outer surface of the thermoelectric power generation module.
  • thermoelectric power generation function having a small heat loss and a high power generation efficiency
  • FIG. 1 is an external perspective view showing the configuration of a tube-type heat exchanger with a thermoelectric power generation function according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the tube heat exchanger with a thermoelectric power generation function shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a tube heat exchanger with a thermoelectric power generation function in a modified example of the present invention.
  • FIG. 4 is an external perspective view of a conventional tube heat exchanger with a thermoelectric power generation function.
  • FIG. 1 and 2 are diagrams schematically showing the configuration of a tube-type heat exchanger with a thermoelectric power generation function (hereinafter, simply referred to as “heat exchanger”) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an external perspective view of the heat exchanger, in which a part is missing so that the internal structure can be seen.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view perpendicular to the axial direction of the heat exchanger.
  • the "axial direction” refers to the central axial direction of the heat exhaust tube 1.
  • the tube-type heat exchanger As shown in FIGS. 1 and 2, the tube-type heat exchanger according to the present embodiment is mounted on the outer peripheral surface of the flexible thermoelectric power generation module 2 mounted on the outer peripheral surface of the exhaust heat tube 1 and the outer peripheral surface of the thermoelectric power generation module 2.
  • a cooling pipe 3 through which a cooling material 4 such as cooling water flows is provided.
  • the thermoelectric power generation module 2 performs thermoelectric power generation using the outer peripheral surface of the exhaust heat tube 1 as a high temperature source and the inner peripheral surface of the cooling pipe 3 as a low temperature source.
  • the thermoelectric power generation module 2 is provided with a gap 8 extending along the axial direction in a part in the circumferential direction.
  • the cooling pipe 3 is composed of a double cooling pipe composed of an inner pipe 3a and an outer pipe 3b.
  • the inner pipe 3a and the outer pipe 3b are welded at the axial end portion.
  • Reference numeral 5 in the figure indicates a welded portion.
  • the axial ends of the inner pipe 3a and the outer pipe 3b may be sealed with the resin 6.
  • the inner pipe 3a is wound in close contact with the outer peripheral surface of the thermoelectric power generation module 2.
  • the cooling pipe 3 is in close contact with the outer peripheral surface of the thermoelectric power generation module 2.
  • the heat loss is reduced and the temperature difference can be increased, so that the power generation efficiency can be increased.
  • Both ends of the winding of the inner pipe 3a in the circumferential direction are welded along the axial direction at the position of the gap 8. As a result, it is possible to avoid adverse effects on the thermoelectric power generation module 2 due to heat when welding the inner pipe 3a.
  • thermoelectric power generation modules 2 when three 10 cm square thermoelectric power generation modules 2 are wound around a heat exhaust tube 1 having an outer circumference of 34 cm, a gap 8 of 3 cm is formed.
  • An inner tube 3a made of a stainless steel plate having a thickness of 0.1 mm is closely wound around the outer peripheral surface of the thermoelectric power generation module 2, and laser welding is performed on the gap 8.
  • An outer tube 3b made of a stainless steel plate with a thickness of 0.1 mm is wound around the outer peripheral surface of the inner tube 3a at an interval of 2 cm, or an existing tube is inserted, and the axial ends of the inner tube 3a and the outer tube 3b are inserted. Weld or resin seal the part. As a result, the double cooling pipe 3 is formed.
  • thermoelectric power generation module 2 it is possible to realize a tube-type heat exchanger with a thermoelectric power generation function having a small heat loss and a high power generation efficiency.
  • the cooling pipe 3 is composed of a double cooling pipe composed of an inner pipe 3a and an outer pipe 3b, both ends of the winding of the inner pipe 3a are welded at the position of the gap 8 provided in the thermoelectric power generation module 2. Therefore, it is possible to avoid an adverse effect on the thermoelectric generation module 2 due to heat when welding the inner pipe 3a.
  • thermoelectric power generation module 2 may be mounted by biting a heat radiating sheet (not shown) on the outer peripheral surface of the heat exhaust tube 1. Further, as shown in FIG. 2, a heat transfer sheet 7 may be provided between the thermoelectric power generation module 2 and the cooling pipe 3. Thereby, the heat loss related to the mounting of the thermoelectric power generation module from the exhaust heat tube 1 to the cooling tube 3 can be further reduced. As a result, the temperature difference in the thermoelectric power generation module 2 can be further increased, so that the power generation efficiency can be further increased.
  • heat radiating sheet for example, a silicone sheet having a thermal conductivity of 10 W / mK and a thickness of 0.1 mm can be used.
  • heat transfer sheet 7 for example, a flexible carbon sheet having a thermal conductivity of 30 W / mK and a thickness of 0.1 mm can be used.
  • a flexible porous metal film, a metal-plated woven fabric, or the like can be used as the heat radiating sheet and the heat transfer sheet 7 also function as cushioning materials for the thermoelectric power generation module 2 when the thermoelectric power generation module 2 is attached and the inner pipe 3a is tightly wound around.
  • thermoelectric power generation module 2 may be mounted on the outer peripheral surface of the heat exhaust tube 1 by biting the heat collector 9.
  • the heat collection from the exhaust heat tube 1 can be made more efficient, and the temperature at the high temperature source of the thermoelectric power generation module can be further increased.
  • the temperature difference in the thermoelectric power generation module 2 can be further increased, so that the power generation efficiency can be further increased.
  • the heat collector 9 for example, a copper plate having a thickness of 0.2 mm can be used.
  • thermoelectric power generation module 2 may be attached by biting a heat transfer sheet on the outer peripheral surface of the heat exhaust tube 1.
  • a heat transfer sheet for example, a flexible carbon sheet having a thermal conductivity of 30 W / mK and a thickness of 0.1 mm can be used.
  • the heat collector 9 and the heat transfer sheet may be used in combination.

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Abstract

熱電発電機能付き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、冷却材が流れる冷却管３とを備え、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い、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。

Description

熱電発電機能付きチューブ型熱交換器
　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 (7)

  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、
    　前記冷却管は、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。
  7. 　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。
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