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JP5438451B2 - Thermoelectric conversion generator - Google Patents
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JP5438451B2 JP2009222065A JP2009222065A JP5438451B2 JP 5438451 B2 JP5438451 B2 JP 5438451B2 JP 2009222065 A JP2009222065 A JP 2009222065A JP 2009222065 A JP2009222065 A JP 2009222065A JP 5438451 B2 JP5438451 B2 JP 5438451B2
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Description

本発明は、熱電変換モジュールを用いて高温側と低温側との間の温度差から発電する熱電変換発電装置に係り、特に温度差に起因する高温雰囲気側と低温熱雰囲気側との境界の壁(以下、「界壁」と称す)の変形によって引き起こされる発電効率の低下を招かない熱電変換発電装置に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion power generation apparatus that generates power from a temperature difference between a high temperature side and a low temperature side using a thermoelectric conversion module, and in particular, a boundary wall between a high temperature atmosphere side and a low temperature heat atmosphere side caused by the temperature difference. The present invention relates to a thermoelectric conversion power generation device that does not cause a decrease in power generation efficiency caused by deformation (hereinafter referred to as “boundary wall”).

一般に、現在広く用いられている温度差発電としては熱機関が知られている。熱機関は機構学に基づいている装置であるので可動部を有することから原理的に摩耗劣化がさけられない。それに対して、熱電変換素子を用いた温度差発電の場合は、熱電変換素子の基本構造が固体物理に基づく半導体接合であるため、構成部材が少ない、構造が単純である、可動部分を有していないなどの特徴を備えている。   Generally, a heat engine is known as a temperature difference power generation widely used at present. Since the heat engine is a device based on mechanistics, it has a movable part, and therefore, wear deterioration cannot be avoided in principle. On the other hand, in the case of temperature difference power generation using a thermoelectric conversion element, the basic structure of the thermoelectric conversion element is a semiconductor junction based on solid state physics. It has features such as not.

従って、熱電変換素子を用いた温度差発電は、熱機関に比べて長期信頼性が期待できること、小型から大型まで幅広い寸法範囲での装置の実装を可能としているなどの優位性を有している。そしてこのような特徴により、熱電変換素子は従来熱機関にとって不可能であった廃熱を再利用する発電への適用が期待されている。   Therefore, temperature difference power generation using thermoelectric conversion elements has advantages such as long-term reliability compared to heat engines, and the ability to mount devices in a wide range of dimensions from small to large. . Due to such characteristics, the thermoelectric conversion element is expected to be applied to power generation that reuses waste heat, which has been impossible for conventional heat engines.

熱電変換素子を用いて温度差発電を行う場合、通常アルミナなどのセラミックス基板上にp型及びn型の半導体からなる熱電変換素子を交互に直列に配列し、p型及びn型のそれぞれの熱電変換素子を電極で接続した構造の熱電変換モジュールを用いている(例えば、特許文献1〜3参照)。   When temperature difference power generation is performed using a thermoelectric conversion element, thermoelectric conversion elements made of p-type and n-type semiconductors are usually arranged alternately in series on a ceramic substrate such as alumina, and each of the p-type and n-type thermoelectric elements is arranged. A thermoelectric conversion module having a structure in which conversion elements are connected by electrodes is used (see, for example, Patent Documents 1 to 3).

このような熱電変換モジュールに冷却板を接触させた熱電変換ユニットを高温雰囲気側と低温雰囲気側との間に挟持して高温側と低温側との間の温度差から発電する熱電変換発電装置を構成する(例えば、特許文献4参照)。高温雰囲気側と低温雰囲気側との間には界壁が存在し、通常低温雰囲気側に界壁に接するように熱電変換ユニットが配置される。   A thermoelectric conversion power generator that generates heat from a temperature difference between a high temperature side and a low temperature side by sandwiching a thermoelectric conversion unit having a cooling plate in contact with such a thermoelectric conversion module between the high temperature atmosphere side and the low temperature atmosphere side. (For example, refer patent document 4). There is a boundary wall between the high temperature atmosphere side and the low temperature atmosphere side, and the thermoelectric conversion unit is usually disposed on the low temperature atmosphere side so as to be in contact with the boundary wall.

特開平5−29667号公報JP-A-5-29667 特開2005−302783号公報JP 2005-302783 A 特開2000−164941号公報JP 2000-164941 A 特開平11−8988号公報JP 11-8988 A

上記したように、従来の熱電変換発電装置においては、界壁の低温雰囲気側に熱電変換ユニットを配置して発電を行っているが、図5に示すように界壁の低温雰囲気側(室温側)に熱電変換ユニットを設置して高温雰囲気側との温度差から発電を行う場合、まず図5(a)に示すように、熱電変換モジュール51と冷却板52とからなる熱電変換ユニット53を設置した当初は界壁54と熱電変換ユニット53は密着している。   As described above, in the conventional thermoelectric conversion power generation apparatus, the thermoelectric conversion unit is arranged on the low temperature atmosphere side of the boundary wall to generate power. However, as shown in FIG. When a thermoelectric conversion unit is installed to generate power from a temperature difference from the high temperature atmosphere side, first, as shown in FIG. 5A, a thermoelectric conversion unit 53 comprising a thermoelectric conversion module 51 and a cooling plate 52 is installed. Initially, the boundary wall 54 and the thermoelectric conversion unit 53 are in close contact.

それが時間の経過と共に図5(b)に示すように、高温雰囲気側と低温雰囲気側との温度差から界壁54には熱膨張による変形(反り)が生じてくる。このように界壁に反りが生じると、界壁54と熱電変換ユニット53との間に空間Gが生じ、高温雰囲気側から熱電変換ユニット53への熱伝達効率が極端に低下するという問題があった。   As shown in FIG. 5B, over time, the boundary wall 54 is deformed (warped) due to thermal expansion due to the temperature difference between the high temperature atmosphere side and the low temperature atmosphere side. When the field wall is warped as described above, a space G is generated between the field wall 54 and the thermoelectric conversion unit 53, and the heat transfer efficiency from the high temperature atmosphere side to the thermoelectric conversion unit 53 is extremely reduced. It was.

また、界壁54と熱電変換ユニット53との間の空間Gをできるだけなくすように、熱電変換ユニット53を界壁54に押しつけようとすると、界壁54には既に熱歪が加わっているので界壁内の歪がさらに増大する。この場合、熱膨張と熱電変換ユニット53の押し付け力による歪に由来する界壁変形が界壁を構成する材料の弾塑性変形量を上回ると、図5(c)に示すように、界壁が破壊するおそれがあるという問題もあった。なお、熱電変換モジュール51は基本的には熱電変換素子と電極から構成されているが、本図においては一体として表示している。   Further, if the thermoelectric conversion unit 53 is pressed against the boundary wall 54 so as to eliminate the space G between the boundary wall 54 and the thermoelectric conversion unit 53 as much as possible, the boundary wall 54 has already been subjected to thermal strain. The strain in the wall is further increased. In this case, when the boundary wall deformation resulting from the thermal expansion and the strain caused by the pressing force of the thermoelectric conversion unit 53 exceeds the amount of elastic-plastic deformation of the material constituting the boundary wall, as shown in FIG. There was also a problem of the possibility of destruction. The thermoelectric conversion module 51 is basically composed of a thermoelectric conversion element and an electrode, but is shown as an integral unit in this figure.

このような問題については、一つには発電装置を構成する各部材の熱膨張率の違いによる影響であり、各部材の熱膨張率の差は構成部材の位置ずれ(本来あるべき位置からのずれ)や変形を引き起こし、熱伝達効率の低下や導通不良の原因となる。   This problem is partly due to the difference in the coefficient of thermal expansion of each member constituting the power generation device, and the difference in the coefficient of thermal expansion of each member is caused by the displacement of the component member (from the position where it should originally be). Misalignment) and deformation, resulting in reduced heat transfer efficiency and poor conduction.

また、もう一つとして、各構成部材に加わる力学的バランスが偏っていることであり、熱膨張による変形と熱電変換ユニットの押し付け力はどちらも界壁を高温雰囲気側に曲げる効果を有するが、それに対する反力は界壁の剛性(ヤング率)しかない。もし反力を高めようとすると、界壁の厚さを増加させるか界壁にリブなどの補強構造を加えるなどして界壁の剛性を高めざるを得ない。しかし、このような方法は界壁の熱伝達能力を低下させるものであり、また界壁の変形(反り)の状況を複雑なものにするため採用は難しい。   In addition, the mechanical balance applied to each constituent member is biased, and both the deformation due to thermal expansion and the pressing force of the thermoelectric conversion unit have the effect of bending the boundary wall to the high temperature atmosphere side, The only reaction force is the rigidity of the wall (Young's modulus). If the reaction force is to be increased, the rigidity of the field wall must be increased by increasing the thickness of the field wall or adding a reinforcing structure such as a rib to the field wall. However, such a method reduces the heat transfer capability of the field wall and is difficult to adopt because it complicates the situation of deformation (warpage) of the field wall.

さらに、上記の問題に加えて、使用温度による材料選択の制約も生じてくる。発電装置の強度設計を行う場合、高温雰囲気において構成部材がどのような力学的性質を持つのかを考慮しなければならない。その際、前述した熱膨張率差による構成部材の位置ずれを防ぐためには、構成部材に「あそび」と称するフック弾性領域を持たせたり、位置ずれを抑えるために強い反力を加えたりする必要がある。このような制約に対して適合する材料は、素材の力学的データベースに基づき選定されることになるが、高温下で適度な弾力や剛性を保有する材料は少なく、特に伝熱経路設計に必要な熱的性質を考慮した場合、使用材料選択の制約は非常に大きいものとなる。   Furthermore, in addition to the above problems, there are restrictions on material selection depending on the use temperature. When designing the strength of the power generation device, it is necessary to consider what mechanical properties the components have in a high temperature atmosphere. At that time, in order to prevent the displacement of the component due to the difference in thermal expansion coefficient described above, it is necessary to provide the component with a hook elastic region called “play” or to apply a strong reaction force to suppress the displacement. There is. Materials that meet these constraints will be selected based on the mechanical database of the materials, but there are few materials that have adequate elasticity and rigidity at high temperatures, which is particularly necessary for heat transfer path design. Considering the thermal properties, the choice of materials used is very large.

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高温雰囲気側から低温雰囲気側に流れる熱の伝達効率と力学的バランスを考慮し、界壁の変形が生じたとしても発電効率を低下させない熱電変換発電装置を提供するものである。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems. In consideration of the transfer efficiency and the mechanical balance of heat flowing from the high temperature atmosphere side to the low temperature atmosphere side, even if the boundary wall is deformed, the power generation efficiency The thermoelectric conversion electric power generating apparatus which does not reduce this is provided.

この目的を達成するために本発明の熱電変換発電装置の第1の態様は、複数の熱電変換素子からなる熱電変換モジュールを用いて高温雰囲気側と低温雰囲気側との温度差から発電出力を得る熱電変換発電装置において、高温雰囲気側と低温雰囲気側との界壁に貫通するように1000℃以上の融点を有する高熱伝導率及び耐熱性を有するセラミックスからなる熱伝達媒体が取り付けられ、熱伝達媒体の低温雰囲気側に熱電変換モジュールと冷却板から構成される熱電変換ユニットが配置されていることを特徴とする。 In order to achieve this object, a first aspect of the thermoelectric conversion power generator of the present invention obtains a power generation output from a temperature difference between a high temperature atmosphere side and a low temperature atmosphere side using a thermoelectric conversion module comprising a plurality of thermoelectric conversion elements. In the thermoelectric conversion power generator, a heat transfer medium made of ceramics having high thermal conductivity and heat resistance having a melting point of 1000 ° C. or higher is attached so as to penetrate through the boundary walls between the high temperature atmosphere side and the low temperature atmosphere side, and the heat transfer medium A thermoelectric conversion unit including a thermoelectric conversion module and a cooling plate is arranged on the low temperature atmosphere side of the.

また本発明の熱電変換発電装置の第2の態様は、複数の熱電変換素子からなる熱電変換モジュールを用いて高温雰囲気側と低温雰囲気側との温度差から発電出力を得る熱電変換発電装置において、高温雰囲気側と低温雰囲気側との界壁に貫通するように熱伝達媒体が取り付けられ、熱伝達媒体は高温雰囲気側の容積が低温雰囲気側の容積よりも大きく、熱伝達媒体の低温雰囲気側に熱電変換モジュールと冷却板から構成される熱電変換ユニットが配置されていることを特徴とする。 Further, the second aspect of the thermoelectric conversion power generator of the present invention is a thermoelectric conversion power generator that obtains a power generation output from a temperature difference between a high temperature atmosphere side and a low temperature atmosphere side using a thermoelectric conversion module composed of a plurality of thermoelectric conversion elements. A heat transfer medium is attached so as to penetrate the boundary wall between the high temperature atmosphere side and the low temperature atmosphere side. The volume of the heat transfer medium on the high temperature atmosphere side is larger than the volume on the low temperature atmosphere side. A thermoelectric conversion unit including a thermoelectric conversion module and a cooling plate is disposed.

さらに本発明の熱電変換発電装置の第の態様は、第1または第2の態様において、熱伝達媒体は少なくとも1つの平面を有していることを特徴とする。 Furthermore, a third aspect of the thermoelectric conversion power generator of the present invention is characterized in that, in the first or second aspect, the heat transfer medium has at least one plane.

また本発明の熱電変換発電装置の第の態様は、第の態様において、熱伝達媒体の1つの平面に熱電変換ユニットが配置されていることを特徴とする。 The fourth aspect of the thermoelectric conversion power generation device of the present invention, in a third aspect, wherein the thermoelectric conversion unit in one plane of the heat transfer medium is arranged.

さらに本発明の熱電変換発電装置の第の態様は、第の態様において、熱伝達媒体の複数の平面に熱電変換ユニットが配置されていることを特徴とする。 Furthermore , the fifth aspect of the thermoelectric conversion power generation apparatus of the present invention is characterized in that, in the third aspect, thermoelectric conversion units are arranged on a plurality of planes of the heat transfer medium.

また本発明の熱電変換発電装置の第の態様は、第の態様において、セラミックスは炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムから選択された1種であることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the thermoelectric conversion power generator of the present invention, in the first aspect, the ceramic is one selected from silicon carbide, silicon nitride, and aluminum nitride.

さらに、本発明の熱電変換発電装置の第の態様は、第1から第の態様において、熱伝達媒体は平板状体であることを特徴とする。 Furthermore, according to a seventh aspect of the thermoelectric conversion power generator of the present invention, in the first to sixth aspects, the heat transfer medium is a flat plate.

また本発明の熱電変換発電装置の第の態様は、第1から第の態様において、熱伝達媒体は棒状体であることを特徴とする。 According to an eighth aspect of the thermoelectric conversion power generator of the present invention, in the first to sixth aspects, the heat transfer medium is a rod-shaped body.

さらに本発明の熱電変換発電装置の第の態様は、第1から第の態様において、熱伝達媒体はL字状体であることを特徴とする。 Furthermore, the ninth aspect of the thermoelectric conversion power generator of the present invention is characterized in that, in the first to sixth aspects, the heat transfer medium is an L-shaped body.

また本発明の熱電変換発電装置の第10の態様は、第1から第の態様において、熱伝達媒体はアーチ状体であることを特徴とする。 According to a tenth aspect of the thermoelectric conversion power generator of the present invention, in the first to sixth aspects, the heat transfer medium is an arch-like body.

さらに本発明の熱電変換発電装置の第11の態様は、第1から第10の態様において、界壁は平板状であることを特徴とする。 Furthermore, the eleventh aspect of the thermoelectric conversion power generator of the present invention is characterized in that, in the first to tenth aspects, the boundary wall is flat.

また本発明の熱電変換発電装置の第12の態様は、第1から第10の態様において、界壁は円筒状であることを特徴とする。 The twelfth aspect of the thermoelectric conversion power generator of the present invention is characterized in that, in the first to tenth aspects, the field wall is cylindrical.

さらに本発明の熱電変換発電装置の第13の態様は、第1から第12の態様において、熱電変換モジュールは、p型酸化物系半導体及びn型酸化物系半導体からなる熱電変換素子により構成されていることを特徴とする。 Furthermore, in a thirteenth aspect of the thermoelectric conversion power generator of the present invention, in the first to twelfth aspects, the thermoelectric conversion module is constituted by a thermoelectric conversion element comprising a p-type oxide semiconductor and an n-type oxide semiconductor. It is characterized by.

また本発明の熱電変換発電装置の第14の態様は、第13の態様において、酸化物系の熱電変換素子は、p型酸化物系半導体が、ナトリウムコバルト酸化物、カルシウムコバルト酸化物またはカルシウムビスマスコバルト酸化物から選択された1種であり、n型酸化物系半導体が、酸化亜鉛、ランタンニッケル酸化物、カルシウムマンガン酸化物またはストロンチウムチタン酸化物から選択された1種であることを特徴とする。 In addition , the fourteenth aspect of the thermoelectric conversion power generator of the present invention is the thirteenth aspect, wherein the oxide-based thermoelectric conversion element is a p-type oxide-based semiconductor composed of sodium cobalt oxide, calcium cobalt oxide, or calcium bismuth. It is one selected from cobalt oxides, and the n-type oxide semiconductor is one selected from zinc oxide, lanthanum nickel oxide, calcium manganese oxide, or strontium titanium oxide. .

本発明の熱電変換発電装置によれば、界壁に対して熱伝達媒体を貫通するように取り付け、この熱伝達媒体の低温雰囲気側に熱伝変換ユニットを配置したので、高温雰囲気側と低温雰囲気側との温度差から界壁に変形(反り)が生じたとしても、熱伝変換ユニットには有害な変形が加わらず、高温雰囲気側からの熱が熱伝達媒体を介して効率よく熱電変換ユニット伝わるために発電効率の低下を招くことがない。   According to the thermoelectric conversion power generation device of the present invention, the heat transfer medium is attached to the boundary wall so as to penetrate, and the heat transfer conversion unit is disposed on the low temperature atmosphere side of the heat transfer medium. Even if the boundary wall is deformed (warped) due to the temperature difference from the side, no harmful deformation is applied to the heat transfer unit, and heat from the high-temperature atmosphere side is efficiently transferred through the heat transfer medium. Therefore, power generation efficiency is not reduced.

本発明の熱電変換発電装置の一実施の形態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows one Embodiment of the thermoelectric conversion electric power generating apparatus of this invention. 本発明の熱電変換発電装置における熱電変換ユニットの配置状況を説明する図である。It is a figure explaining the arrangement | positioning condition of the thermoelectric conversion unit in the thermoelectric conversion electric power generating apparatus of this invention. 本発明の熱電変換発電装置の取り付け状況を説明する図である。It is a figure explaining the attachment condition of the thermoelectric conversion electric power generating apparatus of this invention. 本発明の熱電変換発電装置の他の実施の形態を示す図である。It is a figure which shows other embodiment of the thermoelectric conversion electric power generating apparatus of this invention. 従来の熱電変換発電装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the conventional thermoelectric conversion electric power generating apparatus.

以下、本発明の熱電変換発電装置の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以後の各図の説明において、同一の箇所については同一の符号を付すこととする。   Hereinafter, preferred embodiments of the thermoelectric conversion power generator of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in description of each figure after that, the same code | symbol shall be attached | subjected about the same location.

図1は本発明の熱電変換発電装置の一実施の形態を示す斜視図である。図1において、本発明の熱電変換発電装置1は、高温雰囲気側と低温雰囲気側との間の界壁2に熱伝達媒体3が界壁2に貫通するように取り付けられている。   FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a thermoelectric conversion power generator according to the present invention. In FIG. 1, a thermoelectric conversion power generator 1 of the present invention is attached to a field wall 2 between a high temperature atmosphere side and a low temperature atmosphere side so that a heat transfer medium 3 penetrates the field wall 2.

各熱伝達媒体3の低温雰囲気側(室温側)には熱電変換素子及び電極からなる熱電変換モジュール4及び冷却板5から構成される熱電変換ユニット6が配置されている。なお、図1においては、熱伝達媒体3に熱電変換ユニット6がどのように配置されているかを理解しやすいように分解して示している。   A thermoelectric conversion unit 6 including a thermoelectric conversion module 4 including a thermoelectric conversion element and electrodes and a cooling plate 5 is disposed on the low temperature atmosphere side (room temperature side) of each heat transfer medium 3. In addition, in FIG. 1, it has decomposed | disassembled and shown so that it may be easy to understand how the thermoelectric conversion unit 6 is arrange | positioned at the heat transfer medium 3. FIG.

ここで、熱伝達媒体3は少なくとも1つの平面を有していることが好ましい。熱電変換モジュール4はセラミックス基板上にp型及びn型の半導体からなる熱電変換素子を交互に直列に配列し、p型及びn型のそれぞれの熱電変換素子を電極で接続した構造を有しているが、セラミックス基板が平板状であることから熱電変換ユニット6を熱伝達媒体3に密着させるには熱伝達媒体3も少なくとも1つの平面を有することが好ましいからである。   Here, the heat transfer medium 3 preferably has at least one plane. The thermoelectric conversion module 4 has a structure in which thermoelectric conversion elements made of p-type and n-type semiconductors are alternately arranged in series on a ceramic substrate, and the p-type and n-type thermoelectric conversion elements are connected by electrodes. However, since the ceramic substrate has a flat plate shape, it is preferable that the heat transfer medium 3 also has at least one plane in order to bring the thermoelectric conversion unit 6 into close contact with the heat transfer medium 3.

また、熱伝達媒体3は熱伝導率の高い耐熱性を有する材料であることが好ましく、1000℃以上の融点を持つ金属あるいはセラミックスが用いられる。具体的には、金属としてはニッケル合金、マルテンサイト系ステンレス鋼、銅、銀、タングステン、プラチナ等が好ましく、またセラミックスとしては炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム等が好ましい。   The heat transfer medium 3 is preferably a material having high heat conductivity and heat resistance, and a metal or ceramic having a melting point of 1000 ° C. or higher is used. Specifically, the metal is preferably a nickel alloy, martensitic stainless steel, copper, silver, tungsten, platinum or the like, and the ceramic is preferably silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride or the like.

熱電変換モジュール4を構成している熱電変換素子は、p型及びn型の半導体の素子が交互に配列されており、p型及びn型の素子が対になり電極で直列に接続されている。このような熱電変換素子としては、酸化物系半導体からなる熱電変換素子が好ましく、例えば、p型酸化物系半導体としてナトリウムコバルト酸化物、カルシウムコバルト酸化物またはカルシウムビスマスコバルト酸化物などが挙げられ、n型酸化物系半導体として酸化亜鉛、ランタンニッケル酸化物、カルシウムマンガン酸化物またはストロンチウムチタン酸化物が挙げられる。酸化物系の熱電変換素子は1000℃近い高温領域で動作させることが可能であるために適用温度が高いという利点を有している。   In the thermoelectric conversion elements constituting the thermoelectric conversion module 4, p-type and n-type semiconductor elements are alternately arranged, and p-type and n-type elements are paired and connected in series with electrodes. . As such a thermoelectric conversion element, a thermoelectric conversion element made of an oxide-based semiconductor is preferable. Examples of the p-type oxide-based semiconductor include sodium cobalt oxide, calcium cobalt oxide, or calcium bismuth cobalt oxide. Examples of the n-type oxide semiconductor include zinc oxide, lanthanum nickel oxide, calcium manganese oxide, and strontium titanium oxide. Since an oxide-based thermoelectric conversion element can be operated in a high temperature region close to 1000 ° C., it has an advantage of high application temperature.

なお、冷却板5としては、例えば銅製の冷却板が用いられ、その中に室温より低い温度、例えば10℃程度の冷却水が満たされている。   As the cooling plate 5, for example, a copper cooling plate is used, which is filled with cooling water at a temperature lower than room temperature, for example, about 10 ° C.

ここで、図1においては、複数の熱伝達媒体3が取り付けられているが、熱伝達媒体3は1つでも差し支えない。また、図2に示すように、熱電変換ユニット6は種々の配置状況を選択することができる。図2は、図1において矢印A方向(界壁の上部方向)から見た図であり、以下の図においても同様である。   Here, in FIG. 1, although the several heat transfer medium 3 is attached, the heat transfer medium 3 may be one. Moreover, as shown in FIG. 2, the thermoelectric conversion unit 6 can select various arrangement | positioning conditions. FIG. 2 is a view seen from the direction of arrow A in FIG. 1 (upward direction of the boundary wall), and the same applies to the following drawings.

図2(a)においては、熱電変換ユニット6は平板状体若しくは棒状体の熱伝達媒体3の低温雰囲気側の1つの平面にのみ配置されている。図2(b)においては、熱電変換ユニット6は熱伝達媒体3の低温雰囲気側の相対する2つの平面に対称的に配置されている。熱電変換ユニット6を熱伝達媒体3の2つの平面に対称的に配置すると、熱伝達媒体3に加わる力が平衡するので熱伝達媒体3が変形し難くなるという利点を有している。   In FIG. 2A, the thermoelectric conversion unit 6 is disposed only on one plane on the low temperature atmosphere side of the heat transfer medium 3 having a flat plate shape or a rod shape. In FIG. 2 (b), the thermoelectric conversion units 6 are symmetrically arranged on two opposing planes on the low temperature atmosphere side of the heat transfer medium 3. Disposing the thermoelectric conversion units 6 symmetrically on the two planes of the heat transfer medium 3 has an advantage that the force applied to the heat transfer medium 3 is balanced, so that the heat transfer medium 3 is hardly deformed.

さらに、図2(c)に示すように、熱伝達媒体3をL字状体とし、その先端部3aの2つの平面に熱電変換ユニット6を配置してもよい。この場合、図示はしていないが熱伝達媒体3の先端部3aの1つの平面のみに熱電変換ユニット6を配置しても差し支えない。なお、熱電変換ユニット6をL字状の熱伝達媒体3の界壁2に垂直な部分(L字状体の足の部分)3bの1つ若しくは複数の平面に配置しても差し支えない。   Furthermore, as shown in FIG.2 (c), the heat transfer medium 3 may be made into an L-shaped body, and the thermoelectric conversion unit 6 may be arrange | positioned on two planes of the front-end | tip part 3a. In this case, although not shown, the thermoelectric conversion unit 6 may be disposed only on one plane of the tip 3a of the heat transfer medium 3. Note that the thermoelectric conversion unit 6 may be arranged on one or a plurality of planes of the portion (b portion of the L-shaped body) 3 b perpendicular to the field wall 2 of the L-shaped heat transfer medium 3.

また、図2(d)に示すように、熱伝達媒体3をアーチ状体に形成し、界壁2と平行な部分3cの相対する2つの平面に熱電変換ユニット6を配置してもよい。もちろん、図示はしていないが界壁2と平行な部分3cの1つの平面のみに熱電変換ユニット6を配置しても差し支えなく、アーチ状体の熱伝達媒体3の界壁2に垂直な部分(アーチ状体の足の部分)3dの1つ若しくは複数の平面に熱電変換ユニット6を配置してもよい。   Further, as shown in FIG. 2 (d), the heat transfer medium 3 may be formed in an arch shape, and the thermoelectric conversion units 6 may be arranged on two opposing planes of a portion 3 c parallel to the field wall 2. Of course, although not shown, the thermoelectric conversion unit 6 may be disposed only in one plane of the portion 3c parallel to the field wall 2, and the portion perpendicular to the field wall 2 of the arch-shaped heat transfer medium 3 may be used. (A leg portion of the arch-like body) The thermoelectric conversion unit 6 may be arranged on one or a plurality of planes of 3d.

なお、図2(c)においては、熱電変換ユニット6をL字状体の熱伝達媒体3の先端部3a及び界壁2に垂直な部分3bの双方に配置してもよく、図2(d)においては、熱電変換ユニット6をアーチ状体の熱伝達媒体3の界壁2と平行な部分3c及び界壁2に垂直な部分3dの双方に配置してもよい。いずれも1つの平面のみに配置してもよく、複数の平面に配置しても差し支えない。   In FIG. 2C, the thermoelectric conversion unit 6 may be arranged on both the tip 3a of the L-shaped heat transfer medium 3 and the portion 3b perpendicular to the boundary wall 2. FIG. ), The thermoelectric conversion unit 6 may be arranged in both the portion 3c parallel to the field wall 2 of the arch-shaped heat transfer medium 3 and the portion 3d perpendicular to the field wall 2. Any of them may be arranged on only one plane, and may be arranged on a plurality of planes.

上記のような構成を有する本発明による熱電変換発電装置1は、図3に示すように、たとえ界壁2が変形したとしても、その変形の影響を受けず、発電効率が低下することがない。図3は本発明の熱電変換発電装置1を取り付けた状況を示した図である。図3(a)は界壁2が未だ変形していない状況を示した図で、熱電変換ユニット6が配置された熱伝達媒体3が界壁2に貫通するように取り付けられている。   As shown in FIG. 3, the thermoelectric conversion power generator 1 according to the present invention having the above-described configuration is not affected by the deformation even if the boundary wall 2 is deformed, and the power generation efficiency is not lowered. . FIG. 3 is a view showing a state where the thermoelectric conversion power generator 1 of the present invention is attached. FIG. 3A is a diagram showing a situation in which the boundary wall 2 is not yet deformed, and the heat transfer medium 3 in which the thermoelectric conversion unit 6 is arranged is attached so as to penetrate the boundary wall 2.

一方、図3(b)は高温側雰囲気と低温側雰囲気(室温側)との温度差から界壁2が変形し、反りが生じた状態となっている。界壁2がこのような状態になっても熱電変換ユニット6が配置された熱伝達媒体3はその変形の影響を受けず、高温雰囲気側からの熱が熱伝達媒体3を介して効率よく熱電変換ユニット6に伝わるので、発電効率の低下が引き起こされることがない。   On the other hand, FIG. 3B shows a state in which the field wall 2 is deformed due to a temperature difference between the high temperature side atmosphere and the low temperature side atmosphere (room temperature side), and warpage occurs. Even when the boundary wall 2 is in such a state, the heat transfer medium 3 in which the thermoelectric conversion unit 6 is arranged is not affected by the deformation, and heat from the high temperature atmosphere side is efficiently transferred through the heat transfer medium 3. Since it is transmitted to the conversion unit 6, the power generation efficiency is not reduced.

ところで、上記実施の形態においては、平面状の界壁に熱伝達媒体を取り付けた例が説明されたが、例えば高温雰囲気側として高温ガスが流れているような円筒状の配管の熱を利用するような場合にも本発明の熱電変換発電装置を適用することができる。   By the way, in the said embodiment, although the example which attached the heat transfer medium to the planar boundary wall was demonstrated, for example, the heat of cylindrical piping in which high temperature gas is flowing as a high temperature atmosphere side is utilized. Even in such a case, the thermoelectric conversion power generator of the present invention can be applied.

図4は本発明の熱電変換発電装置を円筒状の配管に適用した実施の形態を示したもので、円筒状の配管7が界壁となり、この配管部分に熱電変換ユニット6が配置された熱伝達媒体3が取り付けられている。   FIG. 4 shows an embodiment in which the thermoelectric conversion power generator according to the present invention is applied to a cylindrical pipe. The cylindrical pipe 7 serves as a boundary wall, and the heat in which the thermoelectric conversion unit 6 is arranged in this pipe portion. A transmission medium 3 is attached.

本実施の形態では90度の角度で4方向に熱伝達媒体3が取り付けられているが、取り付けられる熱伝達媒体3の数には特に制限はなく、1つであっても複数であっても差し支えない。また、複数の熱伝達媒体3を取り付ける場合、等角度で取り付けてもよく、任意の角度で取り付けてもよい。   In the present embodiment, the heat transfer medium 3 is attached in four directions at an angle of 90 degrees. However, the number of heat transfer media 3 to be attached is not particularly limited, and may be one or plural. There is no problem. Moreover, when attaching the some heat transfer medium 3, you may attach at an equal angle and you may attach at arbitrary angles.

なお、熱を効率よく熱伝達媒体に取り込み熱電変換ユニットへ伝えるために熱伝達媒体は高温雰囲気側の容積が低温雰囲気側の容積よりも大きい方が好ましい。この場合、熱伝達媒体の形状を図1から図4に示したように高温雰囲気側と低温雰囲気側とで同一とし、高温雰囲気側の長さを長くしてもよい。あるいは、熱伝達媒体の形状を高温雰囲気側と低温雰囲気側とで異ならせ、高温雰囲気側の容積を低温雰囲気側の容積よりも大きくし、より効率よく熱を取り込むことができるような形状としてもよい。   In order to efficiently take heat into the heat transfer medium and transmit it to the thermoelectric conversion unit, the heat transfer medium preferably has a larger volume on the high temperature atmosphere side than on the low temperature atmosphere side. In this case, the shape of the heat transfer medium may be the same on the high temperature atmosphere side and the low temperature atmosphere side as shown in FIGS. 1 to 4, and the length of the high temperature atmosphere side may be increased. Alternatively, the shape of the heat transfer medium can be made different between the high temperature atmosphere side and the low temperature atmosphere side so that the volume on the high temperature atmosphere side is larger than the volume on the low temperature atmosphere side and heat can be taken in more efficiently. Good.

以上のような本発明の熱電変換発電装置によれば、界壁に対して熱伝達媒体を貫通するように取り付け、この熱伝達媒体の低温雰囲気側に熱伝変換ユニットを配置したので、高温雰囲気側と低温雰囲気側との温度差から界壁に変形(反り)が生じたとしても、熱電変換ユニットには有害な変形が加わらず、高温雰囲気側からの熱が熱伝達媒体を介して効率よく熱電変換ユニット伝わるために発電出力の低下を招くことのない熱電変換発電装置を得ることができる。   According to the thermoelectric conversion power generation device of the present invention as described above, the heat transfer medium is attached to the boundary wall so as to penetrate, and the heat transfer conversion unit is disposed on the low temperature atmosphere side of the heat transfer medium. Even if the boundary wall is deformed (warped) due to the temperature difference between the temperature side and the low-temperature atmosphere side, the thermoelectric conversion unit is not harmfully deformed, and the heat from the high-temperature atmosphere side is efficiently transferred through the heat transfer medium. It is possible to obtain a thermoelectric conversion power generation device that does not cause a decrease in power generation output because it is transmitted to the thermoelectric conversion unit.

1・・・・・・・・・・・・・・・・・熱電変換発電装置
2・・・・・・・・・・・・・・・・・界壁
3・・・・・・・・・・・・・・・・・熱伝達媒体
4・・・・・・・・・・・・・・・・・熱電変換モジュール
5・・・・・・・・・・・・・・・・・冷却板
6・・・・・・・・・・・・・・・・・熱電変換ユニット
7・・・・・・・・・・・・・・・・・配管
1 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Thermoelectric conversion power generator 2 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Wall 3 ・ ・ ・ ・ ・ ・..... Heat transfer medium 4 ..... Thermoelectric conversion module 5 .....・ ・ Cooling plate 6 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Thermoelectric conversion unit 7 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Piping

Claims (14)

複数の熱電変換素子からなる熱電変換モジュールを用いて高温雰囲気側と低温雰囲気側との温度差から発電出力を得る熱電変換発電装置において、高温雰囲気側と低温雰囲気側との界壁に貫通するように1000℃以上の融点を有する高熱伝導率及び耐熱性を有するセラミックスからなる熱伝達媒体が取り付けられ、前記熱伝達媒体の低温雰囲気側に前記熱電変換モジュールと冷却板から構成される熱電変換ユニットが配置されていることを特徴とする熱電変換発電装置。 In a thermoelectric conversion power generation device that uses a thermoelectric conversion module composed of a plurality of thermoelectric conversion elements to obtain power generation output from the temperature difference between the high temperature atmosphere side and the low temperature atmosphere side, so as to penetrate through the boundary wall between the high temperature atmosphere side and the low temperature atmosphere side Is mounted with a heat transfer medium made of ceramic having a high thermal conductivity and heat resistance having a melting point of 1000 ° C. or higher, and a thermoelectric conversion unit comprising the thermoelectric conversion module and a cooling plate is provided on the low temperature atmosphere side of the heat transfer medium. A thermoelectric conversion power generator characterized by being arranged. 複数の熱電変換素子からなる熱電変換モジュールを用いて高温雰囲気側と低温雰囲気側との温度差から発電出力を得る熱電変換発電装置において、高温雰囲気側と低温雰囲気側との界壁に貫通するように熱伝達媒体が取り付けられ、前記熱伝達媒体は前記高温雰囲気側の容積が前記低温雰囲気側の容積よりも大きく、前記熱伝達媒体の低温雰囲気側に前記熱電変換モジュールと冷却板から構成される熱電変換ユニットが配置されていることを特徴とする熱電変換発電装置。In a thermoelectric conversion power generation device that uses a thermoelectric conversion module composed of a plurality of thermoelectric conversion elements to obtain power generation output from the temperature difference between the high temperature atmosphere side and the low temperature atmosphere side, so as to penetrate through the boundary wall between the high temperature atmosphere side and the low temperature atmosphere side The heat transfer medium has a volume on the high temperature atmosphere side larger than a volume on the low temperature atmosphere side, and the heat transfer medium includes the thermoelectric conversion module and the cooling plate on the low temperature atmosphere side of the heat transfer medium. A thermoelectric conversion power generator, wherein a thermoelectric conversion unit is arranged. 前記熱伝達媒体は少なくとも1つの平面を有していることを特徴とする請求項1または請求項2記載の熱電変換発電装置。 Thermoelectric power generating device according to claim 1 or claim 2, wherein said heat transfer medium is characterized in that it comprises at least one plane. 前記熱伝達媒体の1つの平面に前記熱電変換ユニットが配置されていることを特徴とする請求項記載の熱電変換発電装置。 The thermoelectric conversion power generator according to claim 3 , wherein the thermoelectric conversion unit is arranged on one plane of the heat transfer medium. 前記熱伝達媒体の複数の平面に前記熱電変換ユニットが配置されていることを特徴とする請求項記載の熱電変換発電装置。 The thermoelectric conversion power generator according to claim 3 , wherein the thermoelectric conversion units are arranged on a plurality of planes of the heat transfer medium. 前記セラミックスは炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムから選択された1種であることを特徴とする請求項記載の熱電変換発電装置。 The ceramic thermoelectric power generating device according to claim 1, wherein the silicon carbide, silicon nitride, is one selected from aluminum nitride. 前記熱伝達媒体は平板状体であることを特徴とする請求項1から請求項までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。 The thermoelectric conversion power generator according to any one of claims 1 to 6, wherein the heat transfer medium is a flat body. 前記熱伝達媒体は棒状体であることを特徴とする請求項1から請求項までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。 The thermoelectric conversion power generator according to any one of claims 1 to 6, wherein the heat transfer medium is a rod-shaped body. 前記熱伝達媒体はL字状体であることを特徴とする請求項1から請求項までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。 The thermoelectric conversion power generator according to any one of claims 1 to 6, wherein the heat transfer medium is an L-shaped body. 前記熱伝達媒体はアーチ状体であることを特徴とする請求項1から請求項までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。 The thermoelectric conversion power generator according to any one of claims 1 to 6, wherein the heat transfer medium is an arch-like body. 前記界壁は平板状であることを特徴とする請求項1から請求項10までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。 The thermoelectric conversion power generator according to any one of claims 1 to 10, wherein the boundary wall has a flat plate shape. 前記界壁は円筒状であることを特徴とする請求項1から請求項10までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。 The thermoelectric conversion power generator according to any one of claims 1 to 10, wherein the boundary wall is cylindrical. 前記熱電変換モジュールは、p型酸化物系半導体及びn型酸化物系半導体からなる熱電変換素子により構成されていることを特徴とする請求項1から請求項12までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。 The thermoelectric conversion module according to any of claims from claim 1, characterized in that it is constituted by a p-type oxide semiconductor and the n-type oxide thermoelectric conversion element made of a semiconductor to claim 12 Thermoelectric conversion power generator. 前記酸化物系の熱電変換素子は、前記p型酸化物系半導体が、ナトリウムコバルト酸化物、カルシウムコバルト酸化物またはカルシウムビスマスコバルト酸化物から選択された1種であり、前記n型酸化物系半導体が、酸化亜鉛、ランタンニッケル酸化物、カルシウムマンガン酸化物またはストロンチウムチタン酸化物から選択された1種であることを特徴とする請求項13記載の熱電変換発電装置。 In the oxide thermoelectric conversion element, the p-type oxide semiconductor is one selected from sodium cobalt oxide, calcium cobalt oxide, or calcium bismuth cobalt oxide, and the n-type oxide semiconductor The thermoelectric conversion power generator according to claim 13, which is one selected from zinc oxide, lanthanum nickel oxide, calcium manganese oxide, or strontium titanium oxide.
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