JP5443952B2

JP5443952B2 - 熱電発電装置

Info

Publication number: JP5443952B2
Application number: JP2009263390A
Authority: JP
Inventors: 博丈田嶋; 成仁近藤; 治常岡; 浩哉三石; 公昭中野; 努和田; 靖吉野; 史郎藤島
Original assignee: Toshiba Corp; T Rad Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; T Rad Co Ltd
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-11-18
Also published as: JP2011109837A

Description

本発明は、熱電変換素子を用いて温度差により熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電装置に係り、特に熱源として流体を適用する熱電発電装置に関するものである。

近年、人類のエネルギ消費量は、産業や科学技術の発達に伴い、歴史的に例を見ないほど加速された。その結果、ＣＯ_２等の温室効果ガスによる地球温暖化の問題が浮上している。温室効果ガスの発生をできるだけ抑制するために、現在ガス焼却炉や火力プラント等各種産業を始めとして、自動車等の内燃機関から未利用のまま廃棄されている高温の熱エネルギを、可能な限り電気エネルギとして回収する発電装置の製品化が期待されている。

熱エネルギを電気エネルギとして回収する発電装置として、熱電発電素子を用いた発電技術がよく知られている。この熱電発電素子は、金属あるいは半導体の両端に温度差を与え、高温部と低温部との間に電位差を生じさせるというゼーベック効果を利用したものであり、温度差が大きいほど発電量も大きくなるという特徴がある。通常、複数の熱電発電素子を組み込んだ熱電モジュールという形態で使用されることが多い。

従来では、このような熱電モジュールを利用した熱電発電装置として、例えば、内燃機関の排気熱エネルギを電気エネルギに変換することを目的として、熱電モジュールをバンド等で締付けることにより押圧状態とし、熱電モジュールの高温の面と低温の面とに高温媒体流路と低温媒体流路をそれぞれ接触させ、熱エネルギを電気エネルギに変換する構成としたものが種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−６６１９号公報

上述した熱電発電装置を始めとして、従来提案されている熱電発電装置においては、熱源である高温流体を装置の中心部に備えた伝熱管に流通させ、その周囲から複数の熱電モジュールをバンド等で纏めて締付けることにより伝熱管表面に押圧状態で固定する構成に関するものがほとんどであり、熱電モジュール等の設置位置やバンドの締付け具合によっては、高温熱源と熱電モジュールと低温媒体流路との接触面の面圧が不均一となり、性能に影響を及ぼすことが多かった。

また、熱電モジュールを伝熱管の周囲に配置させることにより、装置全体寸法に対する熱交換量、すなわち熱交換密度を大きくできないだけでなく、組立が容易でなく量産化に向かない等の問題点があった。

そのため、例えば自動車等の内燃機関の排気管への適用については設置場所の制限を受け、要求される出力を満足する十分な数の熱電モジュールを適正な性能を満足する状態で設置することが難しく、また製作費の低減も困難であった。

本発明はこのような記事情に鑑みてなされたものであり、熱電モジュールを適正な押圧状態で設置することで、熱エネルギから電気エネルギへの効率よい変換を実現し、軽量かつ高性能の発電機能を得ることができるとともに、構造健全性および取付け、メンテナンス等の作業性にも優れた熱電発電装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明では、高温媒体と低温媒体との温度差による熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換素子を組み込んだ熱電モジュールと、前記高温媒体の熱エネルギを回収して前記熱電モジュールを加熱する高温媒体流路と、この高温媒体流路と交差する配置とされて前記低温媒体により除熱し前記熱電モジュールを冷却する低温媒体流路とを備え、前記熱電モジュールが前記高温媒体流路と前記低温媒体流路との間に挟持される配置とされた熱電発電装置において、偶数の高温媒体流路を高温媒体流れ方向に対して放射状に配置し、前記高温媒体流路の両面に熱電モジュールを配置し、隣接する高温媒体流路との間に熱電モジュールを挟み込むように低温媒体流路を設置し、高温媒体流れ方向と交差する方向に配置された対向する低温媒体流路間に締結部材を通して、前記熱電モジュールを高温媒体流路と低温媒体流路で挟み込んで固定したことを特徴とする熱電発電装置を提供する。

上記構成において、望ましくは、偶数の扁平な高温媒体流路チューブを高温媒体流れ方向に対して放射状に配置し、その扁平な高温媒体流路チューブの両面に熱電モジュールを配置し、隣接する前記扁平な高温媒体流路チューブとの間に熱電モジュールを挟み込むように低温媒体流路ブロックを設置し、高温媒体流れ方向に対して交差する方向で対向する２個一組の低温媒体流路ブロックに締結部材を通して、均等かつ十分な面圧で熱電モジュールを扁平な高温媒体流路チューブと低温媒体流路ブロックとで挟み込んで固定する構成とする。

なお、本発明に係る熱電発電装置において、前記低温媒体流路ブロックは、低温媒体の流れ方向に直交する断面形状がＬ型もしくはＶ型であり、伝熱面から離れた伝熱への寄与の少ない部位を省き、かつＬ型もしくはＶ型の頂点に対向する部位に締結部材支持面を設けることが望ましい。

なお、本発明に係る熱電発電装置において、前記低温媒体流路ブロックの媒体入口側および媒体出口側において、配置された低温媒体流路ブロックの内周側中心部の少なくとも一方において接続部品を設置し、前記接続部品を介して各低温媒体流路ブロックを配管接続し、前記接続部品によって各低温媒体流路ブロックに低温媒体を分流または合流させることが望ましい。

また、本発明に係る熱電発電装置として、前記低温媒体流路ブロックの媒体入口側および媒体出口側において、配置された低温媒体流路ブロックの外周側の少なくとも一方において各低温媒体流路ブロックを環状もしくはＣ型に配管接続し、前記環状もしくはＣ型の配管によって各低温媒体流路ブロックに低温媒体を分流または合流させることが望ましい。

さらに、本発明に係る熱電発電装置として、前記熱電モジュールは、モジュール内部空間がモジュール外部空間と遮断されるよう気密封止されており、前記内部空間の雰囲気は不活性ガスもしくは真空であることが望ましい。

各低温媒体流路ブロックは２つの押圧面を有し、少ない数の低温媒体流路ブロックおよび締結部材で多くの熱電モジュールを押圧し固定することができる。

また、低温媒体流路ブロックは、高温媒体流れ方向に対して直交する方向（径方向）で対向する２個一組を対として構成され互いに締結部材で締結されるが、ある組の締結部材の締め付けにより、他の組の低温媒体流路ブロックの押圧が低下することはない。

これらの結果、少ない締結箇所で多くの熱電モジュールを簡便に高温媒体流路チューブと低温媒体流路ブロックとの間に挟みこんで適正な押圧状態で設置することができる。

低温媒体流路ブロックの低温媒体の流れ方向に直交する断面形状はＬ型もしくはＶ型であり、伝熱面から離れた伝熱への寄与の少ない部位を省き、かつＬ型もしくはＶ型の頂点に対向する部位に締結部材支持面を設けた結果、低温媒体流路ブロックの重量を軽減することが可能になるとともに、締結部材を支持するための別体の構造物は不要となり、しかも配置された低温媒体流路ブロックよりも外周側に締結部材が突出することがなくなり、熱電発電装置を小さくかつ軽くすることができる。

前記接続部品もしくは、前記環状もしくはＣ型の配管によって各低温媒体流路ブロックに低温媒体を分流または合流させることにより、低温媒体流路ブロックへの外部冷却設備からの媒体導入配管および外部冷却設備への媒体排出配管の接続本数は入口側および出口側に各１本で十分となり、配管の接続作業性が向上するとともに、各低温媒体流路ブロックの間の配管に要する空間を小さくすることができる。

前記熱電モジュールは、気密封止されており、前記内部空間の雰囲気は不活性ガスもしくは真空であることから、高温大気中においても内蔵される前記熱電変換素子に対する酸化などによる劣化の影響が防止されるため、高温使用時においても、軽量かつ高性能の発電機能を得ることができるとともに、構造健全性を確保することができる。

本発明の第１実施形態による熱電発電装置の全体構成を示す斜視図。本発明の第１実施形態による熱電発電装置の分解図。本発明の第１実施形態による熱電発電装置の高温媒体の流れに垂直な面で切断した断面図（図１のIII−III線断面図）。本発明の第２実施形態による熱電発電装置の全体構成を示す斜視図。本発明の第２実施形態による熱電発電装置の高温媒体の流れに垂直な面で切断した断面図（図４のＶ−Ｖ線断面図）。

以下、本発明に係る熱電発電装置の実施形態について図面を参照して説明する。

なお、以下の実施形態においては、例えば自動車搭載用の熱電発電装置を一例として説明するが、自動車以外の各種移動機器等に適宜搭載して実施することができる。

［第１実施形態（図１〜図３）］
図１は、本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置の全体構成を示す斜視図である。

図１に示すように、本実施形態の熱電発電装置１は主に、図示省略の熱源からの高温媒体が流入する扁平な高温媒体流路チューブ２、扁平な高温媒体流路チューブ２に一方の面を当接して受熱する熱電モジュール３、および図示省略の外部冷却設備から供給される低温媒体を内部の低温媒体流路に流通させて熱電モジュール３の他方の面を冷却する低温媒体流路ブロック４によって構成される。すなわち、本実施形態では熱電発電装置１の内周側中心部において、低温媒体流路ブロック４を配管接続している。

図２は熱電発電装置の分解図であり、図３は熱電発電装置の高温媒体の流れに垂直な面で切断した断面図（図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図）である。

図１、図２および図３に示すように、本実施形態の熱電発電装置１は主に、図示省略の熱源からの高温媒体が流入する扁平な高温媒体流路チューブ２、扁平な高温媒体流路チューブ２に一方の面を当接して受熱する熱電モジュール３、および図示省略の外部冷却設備から供給される低温媒体を内部に流通させて熱電モジュール３の他方の面を冷却する低温媒体流路ブロック４によって構成される。低温媒体流路ブロック４には、低温媒体流路１５が形成されている。

偶数の扁平形状のチューブから成る扁平な高温媒体流路チューブ２が高温媒体流れ方向に対して放射状に配置されている。

扁平な高温媒体流路チューブ２の両面に熱電モジュール３が配置され、隣接する扁平な高温媒体流路チューブ２との間に熱電モジュール３を挟み込むように低温媒体流路ブロック４が設置されている。

高温媒体流れ方向に対して交差する方向で対向する２体一組の低温媒体流路ブロック４に締結部材５を通して、均等かつ十分な面圧で熱電モジュール３を扁平な高温媒体流路チューブ２と低温媒体流路ブロック４で挟み込んで固定した構成となっている。

そして、扁平な高温媒体流路チューブ２の熱応力を緩和するために、高温媒体流路の上流側もしくは下流側に、例えばベローズの熱膨張吸収機構６が設けてある。

扁平な高温媒体流路チューブ２には、主に高温強度および熱伝導性が要求される。高温媒体が腐食性である場合には、さらに耐食性が要求される。そこで、本実施形態では扁平な高温媒体流路チューブ２の材質として、例えばステンレス鋼、銅合金、アルミニウム合金等を適用している。なお、扁平な高温媒体流路チューブ２の製法としては、例えば、ろう付け、溶接、円管の成形等が適用可能である。

また、扁平な高温媒体流路チューブ２の内部には、伝熱促進および耐圧強度向上のためのフィンを設置することが有効である。

さらに、熱電モジュール３としては、板状をなす構成であればよく、その外形については、図に示した矩形状に限られない。

また、熱電モジュール３は、この熱電モジュール３に組み込まれている図示しない熱電変換素子を内包するモジュール内部の雰囲気が、不活性ガスもしくは真空であるよう気密封止されていてもよい。例えば、出願人によりすでに提案されているｇｉｇａｔｏｐａｚ（登録商標）モジュール等が使用可能である。

低温媒体流路ブロック４には、主に熱伝導性、強度および軽量が要求される。低温媒体流路ブロック４の材質としては、例えば、アルミニウム合金、ステンレス鋼、銅合金、樹脂等が使用可能である。低温媒体流路ブロック４の製法としては、例えば、押出し、ろう付け、溶接等が適用可能である。締結部材５としては、例えば、ボルトおよびナット、ねじ等が使用可能である。

なお、本実施形態においては、扁平な高温媒体流路チューブ２の個数を４個としているが、扁平な高温媒体流路チューブ２の個数については、４以上の偶数であればよい。この構成において、低温媒体は高温媒体に対し、並行流もしくは対向流として低温媒体流路ブロック４内を流れる。

また、低温媒体流路ブロック４の冷却媒体の流れ方向と直交する断面形状は、例えばＬ型もしくはＶ型としてある。そして、伝熱面から離れた伝熱への寄与の少ない部位を省き、かつＬ型もしくはＶ型の頂点に対向する部位に、締結部材支持面７が設けてある。この場合、締結部材支持面７の形状については、必ずしも平面である必要は無く種々の形状として実施することができる。

また、本実施形態では、扁平な高温媒体流路チューブ２、低温媒体流路ブロック４および締結部材５の熱膨張による締結力の変化を吸収し抑制するため、締結部材５と締結部材支持面７との間に弾性体８を組み込む構成としてもよい。また、弾性体８としては、例えば、ばね座金、ゴム等の各種弾性材を適用することができる。

なお、低温媒体流路ブロック４の媒体入口側および媒体出口側において、配置された低温媒体流路ブロック４の内周側中心部には、十字形の接続部品９が設置されている。この接続部品９を介して各低温媒体流路ブロック４の配管接続がされている。そして、外部冷却設備からの媒体導入配管および外部冷却設備への媒体排出配管等の各１本を、媒体入口側および媒体出口側において、低温媒体流路ブロック４に接続してある。また、入口側では、接続部品９によって各低温媒体流路ブロック４に分流させ、出口側では各低温媒体を合流させる構成としてある。

この場合、接続部品９の接続部は例えば、凸型もしくは凹型とし、低温媒体流路ブロック４に設けられた、例えば凹型、または凸型等の接続部に嵌め合わせ、Ｏリング等でシールする構成としてある。

このような構成の本実施形態によれば、各低温媒体流路ブロック４が２つの押圧面を有し、少ない数の低温媒体流路ブロックおよび締結部材により多くの熱電モジュールを押圧して固定することが可能となる。

また、低温媒体流路ブロック４は、高温媒体流れ方向に対して直交する方向（径方向）で対向する２体を一組を対として構成され、互いに締結部材で締結されるが、一の組の締結部材の締め付けにより、他の組の低温媒体流路ブロック４の押圧が低下することはない。

このような構成および作用により、本実施形態においては、少ない締結箇所で多くの熱電モジュール３を簡便に扁平高温媒体流路チューブ２と低温媒体流路ブロック４との間に挟み込み、適正な押圧状態で設置することができる。

そして、低温媒体流路ブロック４の冷却媒体の流れ方向に直交する断面形状は、例えばＬ型もしくはＶ型としてある。この構成によれば、伝熱面から離れた伝熱への寄与の少ない部位を省き、かつＬ型もしくはＶ型の頂点に対向する部位に締結部材支持面７を設けた結果、低温媒体流路ブロック４の重量を軽減することが可能になるとともに、締結部材５を支持するための別体の構造物が不要となる。しかも、配置された低温媒体流路ブロック４よりも外周側に締結部材５が突出することがなくなり、熱電発電装置１を小さくかつ軽くすることが可能になる。

また、本実施形態によれば、接続部品９、環状もしくはＣ型の配管によって各低温媒体流路ブロック４に低温媒体を分流または合流させる結果、低温媒体流路ブロック４への外部冷却設備からの媒体導入配管、および外部冷却設備への媒体排出配管の接続本数が入口側および出口側に各１本で十分となる。このため、配管の接続作業性を向上することができるとともに、各低温媒体流路ブロック４の間の配管に要する空間を小さくすることが可能になる。

また、本実施形態による熱電モジュール３では気密封止構成とされて、内部空間の雰囲気が不活性ガスもしくは真空であることから、高温大気中においても内蔵される熱電変換素子に対する酸化などによる劣化の影響が防止される。したがって、高温使用時においても、軽量かつ高性能の発電機能を得ることができるとともに、構造健全性も確保することができる。

［第２実施形態（図４,図５）］
図４は本発明の第２実施形態による熱電発電装置の全体構成を示す斜視図であり、図５は図４のＶ−Ｖ線断面図（熱電発電装置の高温媒体の流れに垂直な面で切断した断面図）である。

なお、本実施形態において、上述の第１実施形態と同一の構成部分については、図４および図５に、第１実施形態と同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

本実施形態では、低温媒体流路ブロック４の媒体入口側および媒体出口側に配置された低温媒体流路ブロック４の外周側で各低温媒体流路ブロック４を、接続ホース１０により環状もしくはＣ型に配管接続した構成としてある。

そして、外部冷却設備からの媒体導入配管および外部冷却設備への媒体排出配管を、入口側および出口側の環状もしくはＣ型の配管１１に各１本接続してある。そして、環状もしくはＣ型の配管１１によって、入口側では各低温媒体流路ブロック４に分流させ、出口側では各低温媒体１３を合流させる構成としてある。

なお、接続ホース１０の材質としては、低温媒体１３の性質、温度等を考慮のうえ、例えばゴム、樹脂、金属等を適用することが可能である。

［他の実施形態］
本発明においては、上述した第１実施形態の構成と、第２実施形態の構成を組合せ、また適宜の付加部品を追加する等により、要旨を変更することなく種々の構成とすることができる。

例えば、低温媒体入口側に第１実施形態を適用し、低温媒体出口側に第２実施形態を適用することができ、さらに他の構成を加えることも可能である。

また、外部冷却設備との配管接続部位に付いては，特に上述の各実施形態の構成に限定されるものではない。

例えば、第１実施形態において、外部冷却設備からの配管を接続部品９に直接、接続してもよく、さらに例えば第２実施形態において、外部冷却設備からの配管を低温媒体流路ブロック４に接続してもよく、種々の構成変形が可能である。

また、偶数の高温媒体流路を高温媒体流れ方向に対して放射状に配置し、高温媒体流路の両面に熱電モジュールを配置し、隣接する高温媒体流路との間に熱電モジュールを挟み込むように低温媒体流路を設置し、高温媒体流れ方向に対して交差する方向で対向する２個一組の低温媒体流路に締結部材を通し、熱電モジュールを高温媒体流路と低温媒体流路で挟み込んで固定する要素に対し、他の各種部材を加えた構成として実施することができる。

１熱電発電装置
２扁平な高温媒体流路チューブ
３熱電モジュール
４低温媒体流路ブロック
５締結部材
６熱膨張吸収機構
７締結部材支持面
８弾性体
９接続部品
１０接続ホース
１１配管
１２高温媒体
１３低温媒体
１４高温媒体流路
１５低温媒体流路

Claims

高温媒体と低温媒体との温度差による熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換素子を組み込んだ熱電モジュールと、前記高温媒体の熱エネルギを回収して前記熱電モジュールを加熱する高温媒体流路と、この高温媒体流路と交差する配置とされて前記低温媒体により除熱し前記熱電モジュールを冷却する低温媒体流路とを備え、前記熱電モジュールが前記高温媒体流路と前記低温媒体流路との間に挟持される配置とされた熱電発電装置において、
偶数の高温媒体流路を高温媒体流れ方向に対して放射状に配置し、前記高温媒体流路の両面に熱電モジュールを配置し、隣接する高温媒体流路との間に熱電モジュールを挟み込むように低温媒体流路を設置し、高温媒体流れ方向と交差する方向に配置された対向する低温媒体流路間に締結部材を通して、前記熱電モジュールを高温媒体流路と低温媒体流路で挟み込んで固定したことを特徴とする熱電発電装置。
前記低温媒体流路は、冷却媒体の流れ方向に直交する断面形状がＬ型もしくはＶ型であり、Ｌ型もしくはＶ型の頂点に対向する部位に締結部材支持面を設けた請求項１記載の熱電発電装置。
前記低温媒体流路の媒体入口側および媒体出口側における低温媒体流路の内周側中心部の少なくとも一方に接続部品を設置し、前記接続部品を介して各冷却媒体流路を配管接続し、前記接続部品によって前記各低温媒体流路に前記低温媒体を分流または合流させる構成とした請求項１または請求項２記載の熱電発電装置。
前記低温媒体流路の媒体入口側および媒体出口側における低温媒体流路の外周側の少なくとも一方に各冷却媒体流路を環状もしくはＣ型に配管接続し、前記環状もしくはＣ型の配管によって前記各低温媒体流路に低温媒体を分流または合流させる構成とした請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載の熱電発電装置。
前記熱電モジュールは、前記熱電変換素子が組み込まれたモジュール内部空間がモジュール外部空間と遮断されるよう気密封止されており、前記内部空間内は不活性ガス雰囲気もしくは真空である請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の熱電発電装置。