JP7675426B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

Description

この発明は、各機器の異常を検知し、それを通信するシステムにおいて、該機器からの排熱を利用して熱電発電し、該機器の電力を賄う熱電発電装置に関する。

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。これらの工場等の現場では、機器の状態を監視するセンサネットワークが構成されている。しかしながら、これらセンサの電源を確保することが問題となっている。

通常は、電源として電池を用いるが、センサ群は高所にも配され、かつ、膨大な数になるため、電池の交換が面倒であるとともに、交換コストが膨大となる。

この解決策として、特許文献１には、機器から排出される熱、あるいはその周辺に排出される熱を利用して、熱電発電により電源を確保する熱電発電トランスミッタが開示されている。

特許文献１に開示された熱電発電トランスミッタは、図７に示すように、機器からの熱を受ける受熱板１００上に、柱状の熱伝導部材１０１が設けられ、熱伝導部材１０１上に熱電発電モジュール１０２が載置されている。熱電発電モジュール１０２は、受熱板１００から熱伝導部材１０１を介して伝達された熱と、熱電発電モジュール１０２の上に設けられた放熱板１０４との温度差で発電する。熱電発電モジュール１０２で発電された電力は、熱電対等センサ１０５の信号を処理、通信する演算処理装置１０７を含む回路基板１０６に供給される。

特開２０１８－２００５１８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された熱電発電トランスミッタは、熱伝導部材１０１の上に熱電発電モジュール１０２を載置し、その周りに回路基板１０６を配置する構成であるため、電力を大きくとるために、熱電発電モジュール１０２を大きくするには限りがある。また、熱伝導部材１０１と熱電発電モジュール１０２を大きくすると、回路基板１０６の面積が大きくとれないという課題がある。

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、受熱板の面積に制限されることなく、熱電発電モジュールを配置することができるとともに、回路基板を配置するスペースを十分に確保できる熱電発電装置を提供することにある。

本発明に係る熱電発電装置は、熱源に接する受熱板と、受熱板から立設する熱伝導体と、熱伝導体の側面に装着された熱電発電モジュールとを備えている。

ある好適な実施形態において、熱電発電モジュールの熱伝導体とは反対側の側面に、放熱手段が設けられている。

ある好適な実施形態において、受熱板及び熱伝導体の内側に位置する空間に、機器の異常を検知し、それを通信する機能を有する回路基板が配置されている。

本発明によれば、受熱板の面積に制限されることなく、熱電発電モジュールを配置することができるとともに、回路基板を配置するスペースを十分に確保できる熱電発電装置を提供することができる。

（ａ）～（ｃ）は、本発明の第１の実施形態における熱電発電装置の構成を示した図である。 第１の実施形態における熱電発電装置の変形例を示した図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態における熱電発電装置の構成を示した図である。 （ａ）、（ｂ）は、第２の実施形態における熱電発電装置の変形例１を示した図である。 （ａ）、（ｂ）は、第２の実施形態における熱電発電装置の変形例２を示した図である。 （ａ）、（ｂ）は、第２の実施形態における熱電発電装置の変形例３を示した図である。 従来の熱電発電トランスミッタの構成を示した図である。

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。

（第１の実施形態）
図１（ａ）～（ｃ）は、本発明の第１の実施形態における熱電発電装置の構成を示した図で、図１（ａ）は、透視型の上面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のIb－Ib線に沿った断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のIc－Ic線に沿った断面図である。

図１（ａ）～（ｃ）に示すように、本実施形態における熱電発電装置は、熱源２に接する受熱板３と、受熱板３から立設する熱伝導体４と、熱伝導体４の側面に装着された熱電発電モジュール１とを備えている。また、熱電発電モジュール１の熱伝導体４とは反対側の側面に、放熱手段５が設けられている。また、受熱板３及び熱伝導体４の内側に位置する空間１０に、機器の異常をセンサで検知し、その信号を処理、通信する演算処理装置等の回路７を搭載した回路基板６が配置されている。回路基板６は、受熱板３に設けられた支持部９で支持され、放熱手段５は、受熱板３に設けられた保持部８で保持されている。

具体的には、受熱板３上に、Ｌ字状の金属板からなる伝熱板（熱伝導体）４が設けられ、伝熱板４の側面に熱電発電モジュール１が装着されている。熱源２からの熱は、受熱板３、及び伝熱板４を介して、熱電発電モジュール１に伝達される。熱電発電モジュール１の反対側の側面には、Ｌ字状の金属板からなる放熱板（放熱手段）５が装着されている。

熱電発電モジュール１は、伝熱板４と放熱板５との温度差により、有効な発電が行われる。受熱板３、伝熱板４、及び放熱板５の内側の広い空間１０に、回路基板６を設置することができる。熱電発電モジュール１は、伝熱板４の側面全面に装着でき、大きくしたいときは、伝熱板４の側面を広げれば良い。従って、熱電発電モジュール１と、回路基板６の大きさの制約からは解放される。

具体例では、伝熱板４と放熱板５は、１ｍｍ厚のＡｌ板かＣｕ板を用いることができる。熱電発電装置のサイズは、例えば、上面から見て縦８０ｍｍ、横６０ｍｍで、側面は縦２５ｍｍである。伝熱板４の側面には、６６ｍｍ×２０ｍｍの大きさの熱電発電モジュール１を装着する。伝熱板４と放熱板５の温度差４４℃で、約１４ｍＷの出力が得られる。これは、センサの信号を処理、通信する演算処理装置の必要電力を賄うのに十分である。

なお、本実施形態において、受熱板３に設置された伝熱板４が熱源２に近く、熱伝達機能が大きい場合は、放熱板４は設けなくてもよい。

（第１の実施形態の変形例）
図２は、第１の実施形態における熱電発電装置の変形例で、図１（ｂ）対応した図である。

図２に示すように、本変形例における熱電発電装置は、放熱板５の上に、放熱シート１１がさらに装着されており、これにより、放熱性が向上する。放熱シート１１は、黒鉛混紗繊維と黒鉛シートとの積層構造が好ましい。黒鉛混紗繊維は、熱伝導率が約１３Ｗ／ｍＫと大きく、かつ輻射率が高く、また、シート表面が平滑でないため、実効表面積が大きく放熱性に優れている。黒鉛シートは、平面方向の熱伝導率が１５００Ｗ／ｍＫと極めて大きく、かつ厚みが薄い。

例えば、厚さ０．２ｍｍの黒鉛混紗繊維シートに２５μｍの黒鉛シートを張り合わせた構造を用いた場合、伝熱板４と放熱板５の温度差が約４６℃と大きくなり、約１９ｍＷと出力向上が得られた。

（第２の実施形態）
図３（ａ）、（ｂ）は、第２の実施形態における熱電発電装置の構成を示した図で、図３（ａ）は、透視型の上面図で、図３（ｂ）は、図３（ａ）のIIIb－IIIb線に沿った断面図である。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態における熱電発電装置は、熱源２に接する受熱板３上に、金属製の円筒の伝熱体４が直立して載置され、その外周面に、熱電発電モジュール１が装着されている。熱電発電モジュール１は、伝熱体４と外気との温度差により、有効な発電が行われる。熱電発電モジュール１は、伝熱体４の外周面全面に装着でき、大きくしたいときは伝熱体４の径を大きくすれば良い。これにより、伝熱体４内の空間１０が広くなり、回路基板６を納めるスペースも大きくなり、熱電発電モジュール１と回路基板６の大きさの制約からは解放される。伝熱体４の上部には、保護のための樹脂板１２を設けることが好ましい。また、樹脂板１２は、通信のため、電波を通す樹脂製が好ましい。

具体例では、受熱板３と伝熱体４は、１～２ｍｍ厚のＡｌ板かＣｕ板を用いることができる。受熱板３のサイズは、例えば、上面から見て１２０ｍｍ角で、伝熱体４のサイズは、例えば、外径７０ｍｍで、高さ５２ｍｍである。伝熱体４の外周面には、１３ｍｍ×８８ｍｍの大きさの熱電発電モジュール１を２個装着する。伝熱板４と放熱板５の温度差７℃で、約８ｍＷの出力が得られる。これは、センサの信号を処理、通信する演算処理装置の必要電力を賄うのに十分である。

（第２の実施形態の変形例１）
図４（ａ）、（ｂ）は、第２の実施形態における熱電発電装置の変形例１で、図４（ａ）は、透視型の上面図で、図４（ｂ）は、図４（ａ）のIVb－IVb線に沿った断面図である。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、本変形例における熱電発電装置は、熱源２に接する受熱板３上に、金属製の四角型の筒状の伝熱体４が直立して載置され、その外周面に、熱電発電モジュール１が装着されている。熱電発電モジュール１は、伝熱体４と外気との温度差により、有効な発電が行われる。熱電発電モジュール１は、伝熱体４の外周面全面に装着でき、大きくしたいときは伝熱体４の径を大きくすれば良い。これにより、伝熱体４内の空間１０が広くなり、回路基板６を納めるスペースも大きくなり、熱電発電モジュール１と回路基板６の大きさの制約から解放される。

（第２の実施形態の変形例２）
図５（ａ）、（ｂ）は、第２の実施形態における熱電発電装置の変形例２で、図５（ａ）は、透視型の上面図で、図５（ｂ）は、図５（ａ）のVb－Vb線に沿った断面図である。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、本変形例における熱電発電装置は、熱源２に接する受熱板３上に、金属製の四角型の筒状の半分の伝熱体４が直立して載置され、その外周面に、熱電発電モジュール１が装着されている。熱電発電モジュール１は、伝熱体４と外気との温度差により、有効な発電が行われる。熱電発電モジュール１は、伝熱体４の外面全面に装着でき、大きくしたいときは、伝熱体４を大きくまた高くすればよい。これにより、回路基板６を納めるスペースが、伝熱体４の外も利用できて広くなり、その結果、熱電発電モジュール１と回路基板６の大きさの制約から解放される。

（第２の実施形態の変形例３）
図６（ａ）、（ｂ）は、第２の実施形態における熱電発電装置の変形例３で、図６（ａ）は、透視型の上面図で、図６（ｂ）は、図６（ａ）のVIb－VIb線に沿った断面図である。

図６（ａ）、（ｂ）に示すように、本変形例における熱電発電装置は、図３（ａ）（ｂ）に示した構成において、熱電発電モジュール１の外周面に、放熱伝熱板１３が設けられ、放熱伝熱板１３の外に放熱フィン１４が装着されており、これにより、放熱性が向上する。

なお、放熱伝熱板１３の代わりに、熱電発電モジュール１の外周面に、放熱シートを設けてもよい。また、熱電発電モジュール１の外周面に、放熱シートを介して、放熱伝熱板１３が設けてもよい。放熱シートは、黒鉛混紗繊維と黒鉛シートとの積層構造が好ましい。黒鉛混紗繊維は、熱伝導率が約１３Ｗ／ｍＫと大きく、かつ輻射率が高く、また、シート表面が平滑でないため、実効表面積が大きく放熱性に優れている。黒鉛シートは、平面方向の熱伝導率が１５００Ｗ／ｍＫと極めて大きく、かつ厚みが薄い。

実施例では、放熱シートとして、厚さ０．２ｍｍの黒鉛混紗繊維シートに、２５μｍの黒鉛シートを張り合わせた構造を用いた。これにより放熱性が向上し、室温２５℃で、受熱板３の温度が６３℃の時に、伝熱体4と熱電発電モジュール１の外面の温度差が９℃と大きくなり、約１０ｍＷと出力向上が得られた。放熱フィン１４としては、Ａｌ製で、ベース板のサイズが４０ｍｍ×２２９ｍｍ、フィン高さが２０ｍｍ、フィン数が７４で、Ａｌ製を、熱電発電モジュール１の外周面に巻き付け装着し、伝熱体４と熱電発電モジュール１の外面の温度差が約１２℃とさらに大きくなり、約１６ｍＷとさらなる出力向上が得られた。

１ 熱電発電モジュール
２ 熱源
３ 受熱板
４ 伝熱板 （熱伝導体）
５ 放熱板（放熱手段）
６ 回路基板
７ 回路素子
１０ 空間
１１ 放熱シート
１２ 樹脂板
１３ 放熱伝熱板
１４ 放熱フィン

Claims (8)

1. 熱源に接する受熱板と、
   前記受熱板から立設する熱伝導体と、
   前記熱伝導体の一方の側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前記熱伝導体とは反対側の側面に設けられた放熱手段と、
   前記受熱板に設けられた支持体上に設置された回路基板と、
   を備え、
   前記回路基板は、前記受熱板の主面及び前記熱伝導体の他方の側面の内側に位置する内側空間に配置されている、熱電発電装置。
2. 前記回路基板は、機器の異常を検知し、それを通信する機能を有する、請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記放熱手段は、黒鉛混紗繊維と黒鉛シートとの積層構造又は放熱フィンからなる、請求項１に記載の熱電発電装置。
4. 前記熱伝導体は、Ｌ字状の金属板からなる、請求項１～３の何れかに記載の熱電発電装置。
5. 熱源に接する受熱板と、
   前記受熱板から立設する熱伝導体と、
   前記熱伝導体の側面に装着された熱電発電モジュールと、
   を備え、
   前記熱電発電モジュールの前記熱伝導体とは反対側の側面に、黒鉛混紗繊維と黒鉛シートとの積層構造からなる放熱手段が設けられてなる、熱電発電装置。
6. 前記熱伝導体は、Ｌ字状の金属板からなる、請求項５に記載の熱電発電装置。
7. 前記受熱板の上方に、Ｌ字状の放熱板が配置され、
   前記熱電発電モジュールは、前記Ｌ字状の金属板と、前記Ｌ字状の放熱板とで挟まれている、請求項６に記載の熱電発電装置。
8. 前記Ｌ字状の放熱板上に、放熱シートが設けられている、請求項６に記載の熱電発電装置。