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JP7740276B2 - Thermoelectric power generation device and thermoelectric power generation method - Google Patents
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JP7740276B2 - Thermoelectric power generation device and thermoelectric power generation method - Google Patents

Thermoelectric power generation device and thermoelectric power generation method

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JP7740276B2 JP2023007687A JP2023007687A JP7740276B2 JP 7740276 B2 JP7740276 B2 JP 7740276B2 JP 2023007687 A JP2023007687 A JP 2023007687A JP 2023007687 A JP2023007687 A JP 2023007687A JP 7740276 B2 JP7740276 B2 JP 7740276B2
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Description

本発明は、製鉄所の製造設備列に取り付けて使用される熱電発電装置、および前記熱電発電装置を用いた熱電発電方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric power generation device that is attached to a line of manufacturing equipment in a steelworks, and a thermoelectric power generation method using the thermoelectric power generation device.

異種の導体または半導体に温度差を与えると、高温部と低温部との間に起電力が生じることは、ゼーベック効果として古くから知られており、このような性質を利用した熱電素子を用いて熱を直接電力に変換する熱電発電装置が実用化されている。 It has long been known that when a temperature difference is applied to dissimilar conductors or semiconductors, an electromotive force is generated between the high-temperature and low-temperature parts. This property has been exploited to create thermoelectric generators that directly convert heat into electricity using thermoelectric elements.

熱電発電装置を用いることにより、従来活用されていなかった熱エネルギーを電力として有効利用することができる。そのため、様々な分野で熱電発電装置の利用が進められている。 By using a thermoelectric generator, thermal energy, which has not previously been utilized, can be effectively utilized as electricity. As a result, the use of thermoelectric generators is expanding in a variety of fields.

例えば、本発明者らは、製鉄所の製造設備列において熱電発電装置を用いることを提案してきた(特許文献1~3)。製鉄所においては、製銑、製鋼、鋳造、熱間圧延、熱処理など、高温で行われる様々なプロセスが実施されているため、それらのプロセスで発生する余剰の熱を電力に変換することができれば、省エネルギーおよびCO排出量の低減に寄与する。 For example, the present inventors have proposed using thermoelectric power generation devices in the manufacturing equipment rows of steelworks (Patent Documents 1 to 3). Since various processes that are carried out at high temperatures, such as ironmaking, steelmaking, casting, hot rolling, and heat treatment, can be carried out in steelworks, converting the excess heat generated in these processes into electricity would contribute to energy conservation and a reduction in CO2 emissions.

特開2020-203301号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-203301 特開2018-058082号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-058082 特開2017-119308号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-119308

しかし、実際に製鉄所の製造設備列において熱電発電を行おうとすると、漏電が発生しやすいという問題があることが分かった。 However, when actually attempting to generate thermoelectric power in a steelworks manufacturing equipment row, it was found that there was a problem of electrical leakage being prone to occur.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、製鉄所の製造設備列において熱電発電を行う際の漏電の発生を防止することを目的とする。 The present invention was made to solve the above problem, and aims to prevent the occurrence of electrical leakage when thermoelectric power generation is performed in rows of manufacturing equipment at a steelworks.

本発明者らは、上記課題を達成するために鋭意研究を行った結果、漏電の原因が、熱電発電装置、特に熱電発電モジュール内部への水分および鉄粉(酸化鉄粉を含む)の侵入にあることを突き止めた。 As a result of extensive research to achieve the above objectives, the inventors have discovered that the cause of the electrical leakage is the intrusion of moisture and iron powder (including iron oxide powder) into the thermoelectric power generation device, particularly the thermoelectric power generation module.

すなわち、製鉄所においては、様々なプロセスが高温で行われるのみならず、被処理物や製造設備の冷却のために冷却水が使用されることがある。例えば、連続鋳造工程においては、高温の鋼スラブに接するローラーを冷却するために冷却水が使用される。その場合、製造設備列に設置された熱電発電装置は、高温に加え、水蒸気に晒されることになる。そしてその結果、水分が熱電発電装置の内部に侵入し、短絡の原因となることが分かった。 In other words, in steelworks, not only are various processes carried out at high temperatures, but cooling water is also often used to cool the workpieces and manufacturing equipment. For example, in the continuous casting process, cooling water is used to cool the rollers that come into contact with high-temperature steel slabs. In such cases, thermoelectric generators installed in rows of manufacturing equipment are exposed to water vapor in addition to high temperatures. As a result, it has been found that moisture can enter the thermoelectric generators, causing short circuits.

加えて、製鉄所の製造設備列の周辺には製造プロセスに起因する粉塵(ダスト)が不可避的に存在する。そして、前記粉塵の主成分は、被処理物である鉄鋼に由来する鉄粉である。前記鉄粉は非常に微細であるため、熱電発電装置の内部に侵入し、短絡の原因となることが分かった。なお、前記鉄粉の多くは酸化されて酸化鉄となっている。酸化鉄は金属鉄に比べると電気を通しにくいものの、完全な絶縁体ではなく、例えば、ウスタイトでは30Ω-1cm-1程度、マグネタイトでは250Ω-1cm-1程度の電気伝導度を有している。そのため、鉄粉が熱電発電装置の内部に侵入すると漏電の原因となり得る。また、微細な鉄粉(酸化鉄粉)が熱電発電装置の内部に侵入すると、該鉄粉の周囲に水分が凝集、保持されやすくなるため、相乗的に漏電のリスクが高まるものと考えられる。 In addition, dust resulting from the manufacturing process is inevitably present around the rows of manufacturing equipment in steelworks. The main component of this dust is iron powder derived from the steel being processed. Because the iron powder is very fine, it has been found to penetrate the interior of thermoelectric power generation devices and cause short circuits. Much of this iron powder is oxidized to form iron oxide. While iron oxide conducts electricity less well than metallic iron, it is not a perfect insulator. For example, wustite has an electrical conductivity of approximately 30 Ω -1 cm -1 , and magnetite has an electrical conductivity of approximately 250 Ω -1 cm -1 . Therefore, if the iron powder penetrates the interior of a thermoelectric power generation device, it can cause a current leak. Furthermore, when fine iron powder (iron oxide powder) penetrates the interior of a thermoelectric power generation device, moisture tends to aggregate and be retained around the iron powder, which is thought to synergistically increase the risk of a current leak.

このように、製鉄所の製造設備列の周囲は、水分と微細な鉄粉が存在する極めて過酷な環境であり、その結果、漏電が著しく発生しやすいことが分かった。 As such, it was found that the area around the rows of manufacturing equipment at steel mills is an extremely harsh environment with moisture and fine iron powder present, making it extremely susceptible to electrical leakage.

本発明は上記知見を元に完成されたものであり、その要旨は、次の通りである。 The present invention was completed based on the above findings, and its gist is as follows:

1.製鉄所の製造設備列に取り付けて使用される熱電発電装置であって、
受熱板と、前記受熱板に対向する冷却板と、前記受熱板と前記冷却板の間に配置され
た熱電発電モジュールと、封止部材とを備え、
前記熱電発電モジュールは、
対向する一対の絶縁基板と、
前記一対の絶縁基板の間に挟持された複数の熱電発電素子と、
前記一対の絶縁基板の間に挟持され、前記一対の絶縁基板の外周を封止する外周封止枠と、
前記熱電発電素子に接続された端子部と、
前記端子部に接続され、前記一対の絶縁基板のうちの前記冷却板側の絶縁基板と前記冷却板とを貫通して設けられたリード部材とを備え、
前記封止部材は、前記冷却板と前記熱電発電モジュールの間の外周部に環状に配置されており、
前記リード部材は、前記封止部材の内側に配置されている、熱電発電装置。
1. A thermoelectric power generation device that is attached to a train of manufacturing equipment in a steelworks,
a heat receiving plate, a cooling plate facing the heat receiving plate, a thermoelectric power generation module disposed between the heat receiving plate and the cooling plate, and a sealing member;
The thermoelectric power generation module includes:
a pair of opposing insulating substrates;
a plurality of thermoelectric power generation elements sandwiched between the pair of insulating substrates;
an outer periphery sealing frame that is sandwiched between the pair of insulating substrates and seals the outer peripheries of the pair of insulating substrates;
a terminal portion connected to the thermoelectric power generation element;
a lead member connected to the terminal portion and provided to penetrate through the insulating substrate of the pair of insulating substrates that is on the cooling plate side and the cooling plate,
the sealing member is disposed in an annular shape on the outer periphery between the cooling plate and the thermoelectric power generation module,
The lead member is disposed inside the sealing member.

2.さらに、前記受熱板および前記冷却板を締結する締結手段を備える、上記1に記載の熱電発電装置。 2. The thermoelectric power generation device described in paragraph 1 above, further comprising fastening means for fastening the heat receiving plate and the cooling plate.

3.前記封止部材がOリングである、上記1または2に記載の熱電発電装置。 3. The thermoelectric generator described in 1 or 2 above, wherein the sealing member is an O-ring.

4.前記封止部材がフッ素ゴム製である、上記1または2に記載の熱電発電装置。 4. The thermoelectric generator described in 1 or 2 above, wherein the sealing member is made of fluororubber.

5.さらに、前記受熱板と前記冷却板の間に、前記封止部材を支持する支持部材を備える、上記1または2に記載の熱電発電装置。 5. The thermoelectric power generation device described in paragraphs 1 or 2 above, further comprising a support member for supporting the sealing member between the heat receiving plate and the cooling plate.

6.上記1または2に記載の熱電発電装置を製鉄所の製造設備列に取り付け、
前記熱電発電装置により熱を電力に変換する、熱電発電方法。
6. The thermoelectric power generation device according to 1 or 2 above is installed in a line of manufacturing equipment at a steelworks;
A thermoelectric power generation method for converting heat into electric power by the thermoelectric power generation device.

本発明によれば、熱電発電装置を製鉄所の製造設備列で使用する際に、水分や微細な鉄粉の浸入に起因する漏電を防ぐことができる。 The present invention makes it possible to prevent electrical leakage caused by the intrusion of moisture or fine iron powder when using a thermoelectric power generation device in a steelworks production equipment row.

第一の実施形態における熱電発電装置の構造を示す断面模式図である。1 is a cross-sectional view schematically illustrating a structure of a thermoelectric power generation device according to a first embodiment. 第二の実施形態における熱電発電装置の構造を示す断面模式図である。FIG. 4 is a cross-sectional view schematically illustrating the structure of a thermoelectric power generation device according to a second embodiment. 第三の実施形態における熱電発電装置の構造を示す断面模式図である。FIG. 10 is a cross-sectional view schematically illustrating the structure of a thermoelectric power generation device according to a third embodiment. 第四の実施形態における熱電発電装置の構造を示す断面模式図である。FIG. 10 is a cross-sectional view schematically illustrating the structure of a thermoelectric power generation device according to a fourth embodiment. 第五の実施形態における熱電発電装置の構造を示す断面模式図である。FIG. 10 is a cross-sectional view schematically illustrating the structure of a thermoelectric power generation device according to a fifth embodiment.

次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。なお、以下の説明は、本発明の好適な実施態様の例を示すものであり、本発明は、以下の説明によって何ら限定されるものではない。 Next, a method for implementing the present invention will be described in detail. Note that the following description is merely an example of a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited in any way by the following description.

[熱電発電装置]
本発明の一実施形態における熱電発電装置は、製鉄所の製造設備列に取り付けて使用される熱電発電装置であって、受熱板と、前記受熱板に対向する冷却板と、前記受熱板と前記冷却板の間に配置された熱電発電モジュールと、封止部材とを備えている。
[Thermoelectric power generation device]
A thermoelectric power generation device in one embodiment of the present invention is a thermoelectric power generation device that is attached to a row of manufacturing equipment in a steelworks and used, and includes a heat receiving plate, a cooling plate facing the heat receiving plate, a thermoelectric power generation module arranged between the heat receiving plate and the cooling plate, and a sealing member.

(受熱板)
本発明の熱電発電装置は、熱源からの熱を受けるための受熱板を備えている。本発明の熱電発電装置を使用する際には、前記受熱板が熱源側に位置するように熱電発電装置を設置すればよい。熱源からの熱は、受熱板によって受熱された後、熱電発電モジュールの一方の面(高温側)に伝えられる。
(heat receiving plate)
The thermoelectric generator of the present invention includes a heat receiving plate for receiving heat from a heat source. When using the thermoelectric generator of the present invention, the thermoelectric generator is simply installed so that the heat receiving plate is located on the heat source side. The heat from the heat source is received by the heat receiving plate and then transferred to one side (high temperature side) of the thermoelectric generation module.

前記受熱板の材質は特に限定されないが、耐熱性の観点からは、金属、セラミックス、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1つとすることが好ましい。前記金属としては、とくに限定されないが、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、および鋼からなる群より選択される少なくとも1つを用いることが好ましい。 The material of the heat receiving plate is not particularly limited, but from the standpoint of heat resistance, it is preferable to use at least one selected from the group consisting of metal, ceramic, and carbon. The metal is not particularly limited, but it is preferable to use at least one selected from the group consisting of copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, and steel, for example.

(冷却板)
本発明の熱電発電装置は、前記受熱板に対向する冷却板を備えている。本発明の熱電発電装置を使用する際には、熱源と反対の側に前記冷却板が位置するように熱電発電装置を設置すればよい。前記冷却板により、熱電発電モジュールの他方の面(低温側)が冷却される。
(Cooling plate)
The thermoelectric generator of the present invention includes a cooling plate facing the heat receiving plate. When using the thermoelectric generator of the present invention, the thermoelectric generator is simply installed so that the cooling plate is located on the side opposite the heat source. The cooling plate cools the other surface (low temperature side) of the thermoelectric generation module.

前記冷却板としては、熱電発電モジュールを冷却することができるものであれば任意のものを用いることができる。前記冷却板は、例えば、ヒートシンクおよび熱交換器であってもよいが、冷却効率の観点からは熱交換器であることが好ましい。前記熱交換器としては、例えば、内部に冷却水流路を有する水冷板を用いることができる。前記冷却板がヒートシンクである場合には、冷却効率を高めるために、放熱フィンを備えることが好ましい。 The cooling plate can be any material that can cool the thermoelectric power generation module. The cooling plate may be, for example, a heat sink or a heat exchanger, but from the perspective of cooling efficiency, a heat exchanger is preferable. The heat exchanger may be, for example, a water-cooled plate with a cooling water flow path inside. If the cooling plate is a heat sink, it is preferable to provide heat dissipation fins to improve cooling efficiency.

前記冷却板の材質は特に限定されないが、熱伝導性の観点からは、金属製であることが好ましい。前記金属としては、とくに限定されないが、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、およびアルミニウム合金からなる群より選択される少なくとも1つを用いることが好ましく、中でもアルミニウムまたはアルミニウム合金製であることが好ましい。 The material of the cooling plate is not particularly limited, but from the viewpoint of thermal conductivity, it is preferably made of metal. The metal is not particularly limited, but it is preferable to use at least one selected from the group consisting of copper, copper alloy, aluminum, and aluminum alloy, and among these, aluminum or an aluminum alloy is preferable.

(熱電発電モジュール)
本発明の熱電発電装置は、前記受熱板と前記冷却板の間に配置された熱電発電モジュールを備えている。すなわち、熱電発電モジュールの高温側に受熱板が、低温側に冷却板が設置されている。
(Thermoelectric power generation module)
The thermoelectric power generation device of the present invention includes a thermoelectric power generation module disposed between the heat receiving plate and the cooling plate, i.e., the heat receiving plate is disposed on the high temperature side of the thermoelectric power generation module, and the cooling plate is disposed on the low temperature side.

熱電発電装置1つ当たりの熱電発電モジュールの数は特に限定されず、1つであってもよく、複数であっても良い。言い換えると、一組の受熱板と冷却板との間には、1または複数の熱電発電モジュールを備えることができる。複数の熱電発電モジュールを使用する場合には、それらの熱電発電モジュールを固定用部材により一体に固定してもよい。 The number of thermoelectric power generation modules per thermoelectric power generation device is not particularly limited, and may be one or more. In other words, one or more thermoelectric power generation modules may be provided between a pair of heat receiving plate and cooling plate. When using multiple thermoelectric power generation modules, the thermoelectric power generation modules may be fixed together using fixing members.

そして、前記熱電発電モジュールは、下記(1)~(5)を備えている。
(1)対向する一対の絶縁基板
(2)前記一対の絶縁基板の間に挟持された複数の熱電発電素子
(3)前記一対の絶縁基板の間に挟持され、前記一対の絶縁基板の外周を封止する外周封止枠
(4)前記熱電発電素子に接続された端子部
(5)前記端子部に接続され、前記一対の絶縁基板のうちの前記冷却板側の絶縁基板と前記冷却板とを貫通して設けられたリード部材
The thermoelectric power generation module includes the following features (1) to (5).
(1) A pair of opposing insulating substrates; (2) A plurality of thermoelectric generating elements sandwiched between the pair of insulating substrates; (3) A peripheral sealing frame sandwiched between the pair of insulating substrates and sealing the outer periphery of the pair of insulating substrates; (4) Terminal portions connected to the thermoelectric generating elements; (5) Lead members connected to the terminal portions and provided through the insulating substrate of the pair of insulating substrates on the cooling plate side and the cooling plate.

(1)絶縁基板
熱電発電素子と、上記受熱板および冷却板との間の絶縁を確保するために、熱電発電モジュールには一対の絶縁基板が備えられており、熱電発電素子は前記一対の絶縁基板の間に挟持される。前記絶縁基板は、該絶縁基板に接している各部材(熱電発電素子、受熱板、冷却板、外周封止枠など)の間の、面方向における熱膨張の差を吸収する機能も有している。
(1) Insulating Substrates To ensure insulation between the thermoelectric power generating element and the heat receiving plate and cooling plate, the thermoelectric power generating module is provided with a pair of insulating substrates, and the thermoelectric power generating element is sandwiched between the pair of insulating substrates. The insulating substrates also function to absorb differences in thermal expansion in the planar direction between the components in contact with the insulating substrates (the thermoelectric power generating element, the heat receiving plate, the cooling plate, the peripheral sealing frame, etc.).

前記絶縁基板としては、絶縁性を有する基板であれば任意のものを用いることができる。前記絶縁基板は、リジッド(硬質)基板であってもよく、フレキシブル基板であってもよいが、熱伝導性の観点からは厚みが薄い方がよいため、シート状のフレキシブル基板であることが好ましい。 The insulating substrate can be any substrate that has insulating properties. The insulating substrate may be a rigid substrate or a flexible substrate, but from the perspective of thermal conductivity, a thinner substrate is better, so a sheet-like flexible substrate is preferred.

前記絶縁基板の材質は、セラミックや樹脂など、絶縁性のものであれば任意の材質であってよいが、樹脂であることが好ましい。前記樹脂としては任意のものを用いることができるが、耐熱性の観点からは、ポリエチレンテレフタレート(PET)またはポリイミドであることが好ましく、中でもポリイミドであることがより好ましい。 The insulating substrate may be made of any insulating material, such as ceramic or resin, but resin is preferred. While any resin can be used, from the standpoint of heat resistance, polyethylene terephthalate (PET) or polyimide is preferred, with polyimide being even more preferred.

(2)熱電発電素子
熱電発電素子とは、熱電変換素子とも呼ばれる素子であり、熱を電力に変換する機能を有している。具体的には、熱電発電素子の一方の面と他方の面との間に温度差を形成することにより起電力が発生する。
(2) Thermoelectric power generation element A thermoelectric power generation element, also known as a thermoelectric conversion element, has the function of converting heat into electricity. Specifically, an electromotive force is generated by creating a temperature difference between one side of the thermoelectric power generation element and the other side.

前記熱電発電素子としては、特に限定されることなく熱電発電の機能を持った素子であれば任意のものを使用できる。一般的な熱電発電素子は、一組のp型半導体とn型半導体を組み合わせた構造を有している。前記熱電発電素子としては、例えば、BiTe系、PbTe系、Si-Ge系、シリサイド系、スクッテルダイト系、遷移金属酸化物系、亜鉛アンチモン系、ホウ素化合物、クラスレート化合物、クラスタ固体、酸化亜鉛系、カーボンナノチューブからなる群より選択される少なくとも1つの材料を用いることができる。 The thermoelectric power generating element is not particularly limited, and any element capable of generating thermoelectric power can be used. A typical thermoelectric power generating element has a structure that combines a pair of p-type and n-type semiconductors. The thermoelectric power generating element can be made of at least one material selected from the group consisting of BiTe-based, PbTe-based, Si-Ge-based, silicide-based, skutterudite-based, transition metal oxide-based, zinc antimony-based, boron compounds, clathrate compounds, cluster solids, zinc oxide-based, and carbon nanotubes.

一般的に、熱電発電素子1つあたりの起電力は小さいため、熱電発電モジュールには、複数の熱電発電素子が使用される。使用する熱電発電素子の数は特に限定されず、必要な電力に応じて決定すればよい。熱電発電モジュール1つ当たりの熱電発電素子の数が少なすぎると、必要な発電量を確保するために多数の熱電発電モジュールが必要となる。そのため、熱電発電モジュール1つ当たりの熱電発電素子の数は2000以上とすることが好ましい。一方、熱電発電モジュールに含まれる一部の素子が破損しただけで当該熱電発電モジュールが機能しなくなるリスクがあることから、熱電発電モジュール1つ当たりの熱電発電素子の数は過度に多くないことが望ましく、具体的には6000以下とすることが好ましい。 Generally, the electromotive force per thermoelectric generation element is small, so multiple thermoelectric generation elements are used in a thermoelectric generation module. There is no particular limit to the number of thermoelectric generation elements used, and it can be determined according to the required power. If the number of thermoelectric generation elements per thermoelectric generation module is too small, a large number of thermoelectric generation modules will be required to ensure the required amount of power generation. Therefore, it is preferable that the number of thermoelectric generation elements per thermoelectric generation module be 2,000 or more. On the other hand, since there is a risk that the thermoelectric generation module will cease to function if even just a few of the elements contained in the thermoelectric generation module are damaged, it is desirable that the number of thermoelectric generation elements per thermoelectric generation module not be excessively large; specifically, it is preferable that the number be 6,000 or less.

(3)外周封止枠
前記一対の絶縁基板の間には、該一対の絶縁基板の外周を封止する外周封止枠が設けられている。このように絶縁基板の外周を封止することにより、熱電発電モジュールの外周部から内部に水分や鉄粉が侵入することを防止できる。前記外周封止枠は、熱電発電モジュールに備えられている熱電発電素子すべてを取り囲むように、絶縁基板の外縁付近に設ければよい。
(3) Peripheral Sealing Frame: A peripheral sealing frame is provided between the pair of insulating substrates to seal the peripheries of the pair of insulating substrates. By sealing the peripheries of the insulating substrates in this manner, it is possible to prevent moisture and iron powder from entering the interior of the thermoelectric power generation module from the periphery. The peripheral sealing frame may be provided near the outer edge of the insulating substrates so as to surround all of the thermoelectric power generation elements provided in the thermoelectric power generation module.

前記外周封止枠の形状は特に限定されず、枠状であればよい。しかし、絶縁基板の形状が矩形である場合、熱電発電素子を実装する空間を広くするという観点からは、外周封止枠の形状も矩形であることが好ましい。なお、ここで外周封止枠の形状とは、絶縁基板と垂直な方向から熱電発電モジュールを見た際の外周封止枠の形状を指すものとする。 The shape of the peripheral sealing frame is not particularly limited, as long as it is frame-shaped. However, if the insulating substrate is rectangular, it is preferable that the peripheral sealing frame also be rectangular in shape, from the perspective of widening the space for mounting the thermoelectric power generation element. Note that the shape of the peripheral sealing frame here refers to the shape of the peripheral sealing frame when viewing the thermoelectric power generation module from a direction perpendicular to the insulating substrate.

前記外周封止枠の断面形状についても特に限定されず、任意の形状であってよい。例えば、断面形状は矩形であってもよく、円形であってもよい。断面形状が円形である外周封止枠としては、例えば、Oリングを使用することもできる。 The cross-sectional shape of the peripheral sealing frame is not particularly limited and may be any shape. For example, the cross-sectional shape may be rectangular or circular. An O-ring, for example, may be used as a peripheral sealing frame with a circular cross-sectional shape.

前記外周封止枠の材質は特に限定されず、例えば、樹脂、セラミック、金属など、各種の材料を用いることができる。樹脂を用いる場合には、使用環境に応じた耐熱性を有する樹脂を用いればよい。また、前記金属としては、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、および鋼からなる群より選択される少なくとも1つを用いることが好ましい。 The material of the outer peripheral sealing frame is not particularly limited, and various materials can be used, such as resin, ceramic, and metal. If resin is used, it should have heat resistance appropriate to the usage environment. Furthermore, it is preferable to use at least one metal selected from the group consisting of copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, and steel.

(4)端子部
上記熱電発電素子には端子部が接続されており、該端子部を介して後述するリード部材が接続される。前記端子部としては、熱電発電素子とリード部材とを電気的に接続できるものであれば任意のものを使用できる。典型的には、熱電発電素子の間を接続するために使用される電極と同じ材質を用いることが好ましい。
(4) Terminals Terminals are connected to the thermoelectric generation elements, and lead members (described later) are connected via the terminals. Any material can be used as the terminals as long as they can electrically connect the thermoelectric generation elements and the lead members. Typically, it is preferable to use the same material as the electrodes used to connect the thermoelectric generation elements.

(5)リード部材
上記熱電発電モジュールは、熱電発電素子によって発電された電力を取り出すためのリード部材を備えている。本発明では、前記リード部材が、前記一対の絶縁基板のうちの前記冷却板側の絶縁基板と前記冷却板とを貫通するように設置される。また、前記リード部材は、後述する封止部材の内側に配置される。前記端子部および前記リード部材は、熱電発電モジュールの正極側と負極側にそれぞれ設けられていることが好ましい。
(5) Lead Member The thermoelectric power generation module includes a lead member for extracting the electric power generated by the thermoelectric power generation element. In the present invention, the lead member is installed so as to penetrate the insulating substrate of the pair of insulating substrates that is on the cooling plate side and the cooling plate. The lead member is also disposed inside a sealing member, which will be described later. It is preferable that the terminal portion and the lead member are provided on the positive electrode side and the negative electrode side of the thermoelectric power generation module, respectively.

前記リード部材としては、撚り線のケーブルを使用することもできるが、金属棒を使用することが好ましい。前記金属棒の形状は特に限定されず、例えば、四角柱状であってもよいが、封止部材による封止のしやすさの観点からは円柱状であることが好ましい。 The lead member can be a twisted cable, but it is preferable to use a metal rod. The shape of the metal rod is not particularly limited and may be, for example, a rectangular prism, but a cylindrical shape is preferable from the perspective of ease of sealing with a sealing member.

前記リード部材は、前記端子部に接続される側の先端に、外側につば状に広がったフランジ部を備えることが好ましい。言い換えると、前記リード部材は、リード部材本体部と、前記リード部材本体部の端子部に接続される側の先端に接続され、前記リード部材本体部よりも大きい径を有する円盤状部分を備えることが好ましい。このような形状とすることにより、リード部材が熱電発電モジュールから抜けることを防止できる。 The lead member preferably has a flange portion that flares outward like a brim at the tip of the side that connects to the terminal portion. In other words, the lead member preferably has a lead member main body and a disk-shaped portion that is connected to the tip of the lead member main body on the side that connects to the terminal portion and has a larger diameter than the lead member main body. This shape prevents the lead member from coming loose from the thermoelectric power generation module.

前記リード部材は冷却板を貫通するように設けられる。すなわち、前記冷却板にはリード部材を取り付けるための貫通孔が設けられており、前記リード部材は前記貫通孔を通るように設置される。前記リード部材と前記冷却板の貫通孔の間には、絶縁材を充填することが好ましい。絶縁材を充填することにより、前記リード部材と前記冷却板との間を絶縁することに加え、水分や鉄粉の侵入の防止効果をさらに高めることができる。前記絶縁材としては、典型的には樹脂を用いることができ、リード部材と前記冷却板の貫通孔の間に流し込んだ後に硬化する接着剤を使用することも好ましい。 The lead members are arranged to pass through the cooling plate. That is, the cooling plate has through-holes for attaching the lead members, and the lead members are installed so that they pass through the through-holes. It is preferable to fill the space between the lead members and the through-holes of the cooling plate with an insulating material. Filling with insulating material not only insulates the lead members from the cooling plate, but also further enhances the effectiveness of preventing the intrusion of moisture and iron powder. Resin can typically be used as the insulating material, and it is also preferable to use an adhesive that hardens after being poured between the lead members and the through-holes of the cooling plate.

(封止部材)
本発明の熱電発電装置は、封止部材を備えている。前記封止部材は、前記冷却板と前記熱電発電モジュールの間の外周部に環状に配置されており、前記リード部材は、前記封止部材の内側に配置されている。
(Sealing member)
The thermoelectric power generation device of the present invention includes a sealing member that is annularly disposed on the outer periphery between the cooling plate and the thermoelectric power generation module, and the lead member is disposed inside the sealing member.

前記封止部材が存在しない場合、冷却板と前記熱電発電モジュールの間の隙間から水分や鉄粉が侵入し、最終的にはリード部材の取り付け部から熱電発電モジュールの内部へ侵入するため、漏電の原因となる。そこで、本発明では、冷却板と前記熱電発電モジュールの間の外周部に環状の封止部材を設けることにより、冷却板と前記熱電発電モジュールの間の隙間から水分や鉄粉の侵入を防止する。 If the sealing member were not present, moisture and iron powder would penetrate through the gap between the cooling plate and the thermoelectric power generation module, eventually penetrating into the thermoelectric power generation module through the lead member attachment section, causing a current leak. Therefore, in this invention, an annular sealing member is provided around the outer periphery between the cooling plate and the thermoelectric power generation module, preventing moisture and iron powder from penetrating through the gap between the cooling plate and the thermoelectric power generation module.

このように、外周封止枠により絶縁基板の外周部を封止することに加え、前記封止部材により冷却板と熱電発電モジュールの間を封止することで、熱電発電モジュール内への水分や鉄粉の侵入を効果的に抑制することができる。 In this way, by sealing the outer periphery of the insulating substrate with the outer sealing frame and sealing the space between the cooling plate and the thermoelectric power generation module with the sealing member, it is possible to effectively prevent moisture and iron powder from entering the thermoelectric power generation module.

前記封止部材としては、例えば、環状の弾性シール部材を用いることが好ましい。前記環状の弾性シール部材としては、断面が矩形のものや円形のものなど、任意の形状のものを使用できるが、Oリングを用いることが好ましい。 As the sealing member, it is preferable to use, for example, an annular elastic sealing member. The annular elastic sealing member can be of any shape, such as a rectangular or circular cross section, but it is preferable to use an O-ring.

前記封止部材の材質としては、特に限定されることなく、隙間を封止して水分や鉄粉の侵入を防止できるものであれば任意のものを用いることができる。前記封止部材の材質は、弾性材料であることが好ましく、絶縁性の弾性材料であることがより好ましい。絶縁性の弾性材料としては、典型的には、ゴムを用いることができる。なお、前記ゴムには、エラストマーも包含するものとする。特に耐熱性の観点からは、フッ素ゴムを用いることが好ましく、中でもパーフロロエラストマーを用いることが好ましい。 The material of the sealing member is not particularly limited, and any material can be used as long as it can seal gaps and prevent the intrusion of moisture and iron powder. The material of the sealing member is preferably an elastic material, and more preferably an insulating elastic material. Typically, rubber can be used as an insulating elastic material. Note that the term rubber also includes elastomers. From the standpoint of heat resistance in particular, it is preferable to use fluororubber, and in particular, perfluoroelastomer.

(熱伝導シート)
上記受熱板と熱電発電モジュールの間には、熱伝導シートを設けることが好ましい。また、上記冷却板と熱電発電モジュールの間には、熱伝導シートを設けることが好ましい。熱伝導シートを設けることにより、部材間の熱接触抵抗を低減し、熱電発電効率を向上させることができる。前記熱伝導シートは、受熱板と熱電発電モジュールの間と、冷却板と熱電発電モジュールの間の、いずれか一方のみに設けてもよいが、両方に設けることが好ましい。前記熱伝導シートは、該熱伝導シートに接している各部材(熱電発電モジュール、受熱板、冷却板など)の間の、厚さ方向における熱膨張の差を吸収する機能も有している。
(thermal conductive sheet)
A thermally conductive sheet is preferably provided between the heat receiving plate and the thermoelectric power generation module. Also, a thermally conductive sheet is preferably provided between the cooling plate and the thermoelectric power generation module. By providing a thermally conductive sheet, it is possible to reduce the thermal contact resistance between the components and improve the thermoelectric power generation efficiency. The thermally conductive sheet may be provided only between the heat receiving plate and the thermoelectric power generation module or between the cooling plate and the thermoelectric power generation module, but it is preferable to provide it on both sides. The thermally conductive sheet also has the function of absorbing the difference in thermal expansion in the thickness direction between the components (thermoelectric power generation module, heat receiving plate, cooling plate, etc.) that are in contact with the thermally conductive sheet.

前記熱伝導シートとしては、熱電発電モジュールの使用環境下で用いることができるシートであれば特に制限はないが、熱伝導性の観点からは、グラファイトシートを用いることが好ましい。 There are no particular restrictions on the thermally conductive sheet, as long as it can be used in the environment in which the thermoelectric power generation module is used, but from the perspective of thermal conductivity, it is preferable to use a graphite sheet.

(締結手段)
本発明の熱電発電装置は、さらに、前記受熱板および前記冷却板を締結する締結手段を備えることが好ましい。前記締結手段によって受熱板と冷却板とを締付けることにより、部材間の密着性が増し、その結果、上述した封止部材や外周封止枠によるシール性をさらに向上させることができる。なお、ここで、「受熱板および冷却板を締結する」とは、受熱板と冷却板とを、互いに近づける方向に力を加えて固定することを意味する。
(Fascinating means)
The thermoelectric generator of the present invention preferably further comprises a fastening means for fastening the heat receiving plate and the cooling plate together. By fastening the heat receiving plate and the cooling plate together with the fastening means, the adhesion between the components is increased, and as a result, the sealing performance of the sealing member and the peripheral sealing frame described above can be further improved. Note that, here, "fastening the heat receiving plate and the cooling plate" means applying a force in a direction that brings the heat receiving plate and the cooling plate closer to each other to fix them.

前記締結手段としては、受熱板と冷却板を締結できるものであれば任意のものを用いることができるが、典型的には、前記締結手段は、受熱板と冷却板に挿通されたボルトを備える。また、前記締結手段は、受熱板と冷却板とを互いに近づける方向に付勢する付勢部材を備えることが好ましい。前記付勢部材としては、コイルスプリングを用いることが好ましい。 The fastening means can be any means capable of fastening the heat receiving plate and the cooling plate, but typically the fastening means comprises bolts inserted through the heat receiving plate and the cooling plate. It is also preferable that the fastening means comprises a biasing member that biases the heat receiving plate and the cooling plate in a direction that brings them closer together. It is preferable to use a coil spring as the biasing member.

前記締結手段を設ける位置は特に限定されず、任意の位置に設置することができる。熱電発電モジュールとの干渉を避けるという観点からは、熱電発電モジュールが存在しない位置、すなわち、熱電発電モジュールよりも外側に締結手段を設けることが好ましい。しかし、熱電発電モジュールを貫通するように締結手段を設置することもできる。本発明の一実施形態においては、熱電発電装置が、熱電発電モジュールよりも外側に配置された締結手段(第1の締結手段)と、熱電発電モジュールを貫通するように配置された締結手段(第2の締結手段)の両方を備えることができる。 The location at which the fastening means is provided is not particularly limited, and it can be provided at any location. From the perspective of avoiding interference with the thermoelectric power generation module, it is preferable to provide the fastening means at a location where there is no thermoelectric power generation module, i.e., outside the thermoelectric power generation module. However, the fastening means can also be provided so as to penetrate the thermoelectric power generation module. In one embodiment of the present invention, the thermoelectric power generation device can include both fastening means (first fastening means) located outside the thermoelectric power generation module and fastening means (second fastening means) located so as to penetrate the thermoelectric power generation module.

(支持部材)
さらに、前記受熱板と前記冷却板の間に、前記封止部材を支持する支持部材を備えることが好ましい。前記支持部材の設置位置は特に限定されないが、典型的には、受熱板側の絶縁基板と、受熱板との間に設置することができる。
(Support member)
Furthermore, it is preferable to provide a support member between the heat receiving plate and the cooling plate to support the sealing member. The installation position of the support member is not particularly limited, but it can typically be installed between the insulating substrate on the heat receiving plate side and the heat receiving plate.

前記支持部材の材質は特に限定されず、絶縁性、断熱性、耐熱性、強度などの観点からは、セラミック製とすることが好ましい。 The material of the support member is not particularly limited, but from the standpoint of electrical insulation, heat insulation, heat resistance, strength, etc., it is preferable to use ceramic.

[熱電発電方法]
本発明の一実施形態における熱電発電方法では、上述した熱電発電装置を製鉄所の製造設備列に取り付け、前記熱電発電装置により熱を電力に変換する。上述したように、製鉄所の製造設備列の周囲は、水分と微細な鉄粉が存在する極めて過酷な環境であり、その結果、漏電が著しく発生しやすい。しかし、上述した構造を有する熱電発電装置を使用することにより、水分や鉄粉が熱電発電装置、特に熱電発電モジュールの内部に侵入することを防止できる。そしてその結果、漏電の発生を防止して、安定して熱電発電を行うことができる。
[Thermoelectric power generation method]
In one embodiment of the present invention, a thermoelectric power generation method includes installing the above-described thermoelectric power generation device in a row of manufacturing equipment at a steelworks, and converting heat into electric power using the thermoelectric power generation device. As described above, the surroundings of the rows of manufacturing equipment at a steelworks are an extremely harsh environment, with moisture and fine iron powder present, making electrical leakage highly likely to occur. However, by using a thermoelectric power generation device having the above-described structure, it is possible to prevent moisture and iron powder from entering the thermoelectric power generation device, particularly the thermoelectric power generation module. As a result, electrical leakage is prevented, enabling stable thermoelectric power generation.

上記製鉄所の製造設備列としては、特に限定されることなく、熱源が存在するものであれば任意の製造設備列を対象とすることができる。特に好適に適用できる製造設備列としては、例えば、連続鋳造ライン、熱間圧延ラインなどが挙げられる。 The manufacturing equipment row at the steelworks is not particularly limited, and can be any row of manufacturing equipment that has a heat source. Examples of manufacturing equipment rows that are particularly suitable for application include continuous casting lines and hot rolling lines.

次に、図面を参照して、本発明の熱電発電装置の構造をより具体的に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、いずれも本発明の好適な実施形態の例であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、以下の説明で使用する図面においては、熱電発電装置のうち、1つのリード部材の周辺構造を示しているが、図示しない他のリード部材の周辺構造も同様とすることが好ましい。 Next, the structure of the thermoelectric generator of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. Note that the embodiments described below are all examples of preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to these embodiments. Also, while the drawings used in the following description show the peripheral structure of one lead member of the thermoelectric generator, it is preferable that the peripheral structure of other lead members (not shown) be similar.

(第一の実施形態)
図1は、本発明の第一の実施形態における熱電発電装置1の構造を示す断面模式図である。熱電発電装置1は、対向配置された受熱板10および冷却板20と、両者の間に挟持された熱電発電モジュール30を備えている。
(First embodiment)
1 is a cross-sectional view showing the structure of a thermoelectric generator 1 according to a first embodiment of the present invention. The thermoelectric generator 1 includes a heat receiving plate 10 and a cooling plate 20 arranged opposite each other, and a thermoelectric generation module 30 sandwiched between them.

熱電発電モジュール30は、対向する一対の絶縁基板31、絶縁基板31の間に挟持された複数の熱電発電素子32、外周封止枠33、端子部34、リード部材35を備えている。複数の熱電発電素子32の間は、電極36によって接続されている。また、リード部材35は、略円柱状の金属部材であり、下端には抜け止めのために径が大きくなった円盤状部分を備えている。そして、リード部材35は、端子部34を介して熱電発電素子32に接続されている。 The thermoelectric power generation module 30 includes a pair of opposing insulating substrates 31, multiple thermoelectric power generation elements 32 sandwiched between the insulating substrates 31, an outer sealing frame 33, terminal portions 34, and lead members 35. The multiple thermoelectric power generation elements 32 are connected to each other by electrodes 36. The lead members 35 are generally cylindrical metal members, and have a disk-shaped portion at the bottom end with an increased diameter to prevent them from coming loose. The lead members 35 are connected to the thermoelectric power generation elements 32 via the terminal portions 34.

外周封止枠33は樹脂製或いは金属製の部材であり、絶縁基板31によって挟む込むことによって固定されている。このように外周封止枠33を設けることにより、熱電発電モジュール30の外周端部から水分や鉄粉などが侵入することを防止できる。 The outer peripheral sealing frame 33 is a resin or metal member that is fixed by being sandwiched between the insulating substrates 31. By providing the outer peripheral sealing frame 33 in this manner, it is possible to prevent moisture, iron powder, etc. from entering through the outer peripheral edge of the thermoelectric power generation module 30.

また、受熱板10と熱電発電モジュール30の間には、熱伝導シート40が設けられており、同様に、冷却板20と熱電発電モジュール30の間にも、熱伝導シート40が設けられている。このように熱伝導シート40を用いることにより、熱を伝わりやすくし、それにより発電効率を向上させることができる。 A thermally conductive sheet 40 is provided between the heat receiving plate 10 and the thermoelectric power generation module 30, and similarly, a thermally conductive sheet 40 is provided between the cooling plate 20 and the thermoelectric power generation module 30. By using the thermally conductive sheet 40 in this way, heat can be easily transferred, thereby improving power generation efficiency.

さらに、冷却板20と熱電発電モジュール30の間、より具体的には、冷却板20と、冷却板20側の絶縁基板31との間に、環状の封止部材50が配置されている。そして、リード部材35は、環状の封止部材50の内側に位置している。 Furthermore, an annular sealing member 50 is disposed between the cooling plate 20 and the thermoelectric power generation module 30, more specifically, between the cooling plate 20 and the insulating substrate 31 on the cooling plate 20 side. The lead member 35 is located inside the annular sealing member 50.

本発明の熱電発電素子では、絶縁基板31を貫通してリード部材35が設けられている。そのため、封止部材50が無い場合、外部から冷却板20と、冷却板20側の絶縁基板31との間に入り込んだ水分などが、リード部材35の取り付けのために絶縁基板31に設けられた貫通孔を通って熱電発電モジュール30の内部に侵入しやすい。しかし、このように環状の封止部材50を用いて冷却板20と熱電発電モジュール30の間の外周部を封止することで、上記経路での水分などの侵入を効果的に防止することができる。 In the thermoelectric power generation element of the present invention, a lead member 35 is provided that penetrates the insulating substrate 31. Therefore, without the sealing member 50, moisture and other substances that have entered between the cooling plate 20 and the insulating substrate 31 on the cooling plate 20 side from the outside can easily enter the interior of the thermoelectric power generation module 30 through the through holes provided in the insulating substrate 31 for attaching the lead member 35. However, by using the annular sealing member 50 in this manner to seal the outer periphery between the cooling plate 20 and the thermoelectric power generation module 30, it is possible to effectively prevent moisture and other substances from entering via the above-mentioned route.

なお、封止部材50と外周封止枠33の位置関係は特に限定されないが、いずれも外周を封止するように設置されるものであるから、図1に示すように、対応する位置に配置することが好ましい。言い換えると、冷却板20側の絶縁基板31の外周部の上の面に接するように封止部材50を設け、前記外周部の下の面に接するように外周封止枠33を設けることが好ましい。 The relative positions of the sealing member 50 and the peripheral sealing frame 33 are not particularly limited, but since both are installed to seal the periphery, it is preferable to place them in corresponding positions as shown in Figure 1. In other words, it is preferable to provide the sealing member 50 so that it contacts the upper surface of the peripheral portion of the insulating substrate 31 on the cooling plate 20 side, and to provide the peripheral sealing frame 33 so that it contacts the lower surface of the peripheral portion.

また、本実施形態における封止部材50は、図1に示したように断面が略矩形の弾性シール部材(パッキン)であるが、上述したように封止部材50としてOリングを使用することも好ましい。冷却板20の下面には、封止部材50を設置するための溝を備えていてもよい。前記溝の深さは、封止部材50の高さ(Oリングの場合、直径)未満とする。 In addition, the sealing member 50 in this embodiment is an elastic seal member (packing) with a substantially rectangular cross section as shown in FIG. 1, but as mentioned above, it is also preferable to use an O-ring as the sealing member 50. The underside of the cooling plate 20 may be provided with a groove for installing the sealing member 50. The depth of the groove is less than the height of the sealing member 50 (or the diameter in the case of an O-ring).

本実施形態における熱電発電装置1では、受熱板10と冷却板20が締結手段70によって締結されている。本実施形態における締結手段70は、ボルト71とコイルスプリング72を備えている。そして、ボルト71は冷却板20に設けられた貫通孔に挿通され、ボルト71の先端は、受熱板10に設けられたネジ穴にねじ込んで固定されている。コイルスプリング72はボルト71の頭部と冷却板20との間に設置されており、冷却板20はコイルスプリング72により受熱板10の方向へ付勢されている。 In the thermoelectric power generation device 1 of this embodiment, the heat reception plate 10 and the cooling plate 20 are fastened together by a fastening means 70. In this embodiment, the fastening means 70 includes a bolt 71 and a coil spring 72. The bolt 71 is inserted into a through-hole provided in the cooling plate 20, and the tip of the bolt 71 is screwed into a threaded hole provided in the heat reception plate 10 to secure the plate. The coil spring 72 is installed between the head of the bolt 71 and the cooling plate 20, and the cooling plate 20 is biased toward the heat reception plate 10 by the coil spring 72.

なお、図1では締結手段70が1つのみ示されているが、実際には、所望の締付力が得られるように複数の締結手段70を使用すればよい。 Note that although only one fastening means 70 is shown in Figure 1, in practice, multiple fastening means 70 may be used to obtain the desired clamping force.

また、図1に示した例では、熱電発電モジュール30が存在しない位置(熱電発電モジュール30よりも外側)に締結手段70が設けられている。このような構造とすることにより、締結手段70を通すための貫通孔を熱電発電モジュール30に設ける必要がないため、構造を単純化でき、また、水分の侵入リスクをさらに低減できる。 In addition, in the example shown in Figure 1, the fastening means 70 is provided in a position where no thermoelectric power generation module 30 is present (outside the thermoelectric power generation module 30). This structure eliminates the need to provide a through-hole in the thermoelectric power generation module 30 for passing the fastening means 70, simplifying the structure and further reducing the risk of moisture intrusion.

さらに、図1に示した例では、リード部材35と、冷却板20に設けられた貫通孔との間の隙間に、絶縁材60が設けられている。絶縁材60は、樹脂(接着剤)を隙間に充填し、硬化させたものである。このように隙間に絶縁材60を充填することによっても水分などの侵入を防止する効果があると期待される。しかし、樹脂を充填するという方法では完全に隙間を埋めることが難しく、特に、リード部材35と絶縁基板31に設けられた貫通孔との間の隙間を完全になくすことが難しい。そこで、本発明では封止部材50を設けて外周部からの水分などの侵入を防止することが重要である。なお、製鉄所の製造設備列のような過酷な環境下における水分や鉄粉の侵入をより確実に防止するという観点からは、図1に示すように、絶縁材60と、封止部材50とを併用することが極めて効果的である。 Furthermore, in the example shown in FIG. 1, an insulating material 60 is provided in the gap between the lead member 35 and the through-hole provided in the cooling plate 20. The insulating material 60 is formed by filling the gap with resin (adhesive) and allowing it to harden. Filling the gap with insulating material 60 in this manner is expected to be effective in preventing the intrusion of moisture and other contaminants. However, filling the gap with resin is difficult to completely fill the gap, and it is particularly difficult to completely eliminate the gap between the lead member 35 and the through-hole provided in the insulating substrate 31. Therefore, in the present invention, it is important to provide a sealing member 50 to prevent the intrusion of moisture and other contaminants from the periphery. From the perspective of more reliably preventing the intrusion of moisture and iron powder in harsh environments such as those found in production equipment rows at a steel mill, it is extremely effective to use both insulating material 60 and sealing member 50, as shown in FIG. 1.

(第二の実施形態)
図2は、本発明の第二の実施形態における熱電発電装置1の構造を示す断面模式図である。本実施形態における熱電発電装置1は、上述した第一の実施形態における熱電発電装置と同様の構成に加え、さらに受熱板10と冷却板20との間の空間に支持部材80を備えている。
Second Embodiment
2 is a cross-sectional view showing the structure of a thermoelectric generator 1 according to a second embodiment of the present invention. The thermoelectric generator 1 according to this embodiment has the same configuration as the thermoelectric generator according to the first embodiment described above, and further includes a support member 80 in the space between the heat receiving plate 10 and the cooling plate 20.

より具体的には、支持部材80は、受熱板10側の絶縁基板31と、受熱板10との間に設置されており、支持部材80の上面が受熱板10側の絶縁基板31の下面に、支持部材80の下面は受熱板10の上面に、それぞれ接している。このように支持部材80を設置して、絶縁基板31と受熱板10との間を埋めることにより、封止部材50や外周封止枠33に圧力を掛けやすくなるため、それらの部材による封止効果をさらに向上させることができる。 More specifically, the support member 80 is installed between the insulating substrate 31 on the heat receiving plate 10 side and the heat receiving plate 10, with the upper surface of the support member 80 contacting the lower surface of the insulating substrate 31 on the heat receiving plate 10 side, and the lower surface of the support member 80 contacting the upper surface of the heat receiving plate 10. By installing the support member 80 in this way and filling the gap between the insulating substrate 31 and the heat receiving plate 10, it becomes easier to apply pressure to the sealing member 50 and the peripheral sealing frame 33, further improving the sealing effect of these members.

なお、支持部材80は、熱電発電モジュール30の外周を支持するように、枠状に設けることが好ましい。特に、封止部材50、外周封止枠33、および支持部材80が、いずれも枠状であり、熱電発電モジュール30の外周部の対応する位置に配置されることが好ましい。 It is preferable that the support member 80 be frame-shaped so as to support the outer periphery of the thermoelectric power generation module 30. In particular, it is preferable that the sealing member 50, outer periphery sealing frame 33, and support member 80 are all frame-shaped and arranged at corresponding positions on the outer periphery of the thermoelectric power generation module 30.

また、支持部材80を使用する場合、熱伝導シート40は、支持部材80が存在しない部分に設ければよい。 Also, if a support member 80 is used, the thermal conduction sheet 40 can be provided in areas where the support member 80 is not present.

上記の説明で言及していない部分の構造については図1に示した第一の実施形態と同様とすることができる。 The structure of parts not mentioned in the above description can be the same as that of the first embodiment shown in Figure 1.

(第三の実施形態)
次に、図3を参照して、上記第二の実施形態の変形例である第三の実施形態について説明する。なお、以下の説明で言及していない部分の構造については図2に示した第2の実施形態と同様とすることができる。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment, which is a modification of the second embodiment, will be described with reference to Fig. 3. Note that the structure of parts not mentioned in the following description can be the same as that of the second embodiment shown in Fig. 2.

図2に示した上記第二の実施形態では、支持部材80が断面矩形の部材であったが、図3に示した第三の実施形態では、断面V字型の部材とした。この例では、断面V字型の棒状部材を、V字の頂点が上になるように受熱板10側の絶縁基板31と、受熱板10との間に設置している。このような形状とすることにより、支持部材80と受熱板10および絶縁基板31との接触面積を低減し、熱伝導を抑制することができる。また、V字型とすることで内部に空間が形成され、それによってさらに熱伝導を抑制することができる。すなわち、支持部材80の上方には封止部材50や外周封止枠33が設置されているため、熱電発電素子32は存在せず、したがって、支持部材80を通じて絶縁基板31側へ伝達された熱は有効に活用されない。そこで、図3に示すような構造の支持部材80を用いて支持部材80を通じた熱の伝達を抑制することにより、相対的に、熱電発電素子32が存在する部分に伝わる熱エネルギーを増加させ、発電効率を向上させることができる。 In the second embodiment shown in FIG. 2, the support member 80 has a rectangular cross section. In the third embodiment shown in FIG. 3, however, it has a V-shaped cross section. In this example, a rod-shaped member with a V-shaped cross section is placed between the heat receiving plate 10 and the insulating substrate 31 on the heat receiving plate 10 side, with the apex of the V facing upward. This shape reduces the contact area between the support member 80 and the heat receiving plate 10 and the insulating substrate 31, thereby suppressing heat conduction. The V-shape also creates an internal space, further suppressing heat conduction. Specifically, because the sealing member 50 and peripheral sealing frame 33 are installed above the support member 80, the thermoelectric generating element 32 is not present. Therefore, heat transferred through the support member 80 to the insulating substrate 31 is not effectively utilized. Therefore, by using a support member 80 with a structure such as that shown in FIG. 3 to suppress heat transfer through the support member 80, the thermal energy transferred to the area where the thermoelectric generating element 32 is located can be relatively increased, improving power generation efficiency.

(第四の実施形態)
次に、図4を参照して、第四の実施形態について説明する。なお、以下の説明で言及していない部分の構造については図1に示した第1の実施形態と同様とすることができる。また、さらに任意に、第二の実施形態および第三の実施形態の構成の、一部または全部を組み合わせることもできる。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described with reference to Fig. 4. Note that the structure of parts not mentioned in the following description can be the same as that of the first embodiment shown in Fig. 1. Furthermore, it is also possible to arbitrarily combine part or all of the configurations of the second and third embodiments.

上述したように、第一の実施形態の熱電発電装置では、受熱板10と冷却板20が締結手段70によって締結している。締結手段70は、図1に示したように、熱電発電モジュール30よりも外側に設置された、第1の締結手段である。 As described above, in the thermoelectric power generation device of the first embodiment, the heat receiving plate 10 and the cooling plate 20 are fastened together by fastening means 70. As shown in FIG. 1, the fastening means 70 is a first fastening means installed outside the thermoelectric power generation module 30.

一方、本実施形態における熱電発電装置1は、図4に示すように、さらに、第1の締結手段70に加え、さらに、熱電発電モジュールを貫通するように配置された第2の締結手段75を備えている。第2の締結手段75も、第1の締結手段70と同様、受熱板10と冷却板20を締結するように構成されている。具体的には、第1の締結手段70と同様、第2の締結手段75も、ボルト76とコイルスプリング77を備えている。そして、ボルト76は冷却板20に設けられた貫通孔に挿通され、ボルト76の先端は、受熱板10に設けられたネジ穴にねじ込んで固定されている。コイルスプリング77はボルト76の頭部と冷却板20との間に設置されており、冷却板20はコイルスプリング77により受熱板10の方向へ付勢されている。 On the other hand, as shown in FIG. 4, the thermoelectric power generation device 1 in this embodiment further includes, in addition to the first fastening means 70, a second fastening means 75 arranged to penetrate the thermoelectric power generation module. Like the first fastening means 70, the second fastening means 75 is configured to fasten the heat reception plate 10 and the cooling plate 20. Specifically, like the first fastening means 70, the second fastening means 75 also includes a bolt 76 and a coil spring 77. The bolt 76 is inserted into a through hole provided in the cooling plate 20, and the tip of the bolt 76 is screwed into a threaded hole provided in the heat reception plate 10 to secure it. The coil spring 77 is installed between the head of the bolt 76 and the cooling plate 20, and the cooling plate 20 is biased toward the heat reception plate 10 by the coil spring 77.

このように、第1の締結手段70と第2の締結手段75の両者を用いることにより、より均等に圧力を掛けることができる。なお、図4では第2の締結手段75が1つのみ示されているが、所望の締付力が得られるように第2の締結手段75を複数してもよい。 In this way, by using both the first fastening means 70 and the second fastening means 75, pressure can be applied more evenly. Note that although only one second fastening means 75 is shown in Figure 4, multiple second fastening means 75 may be used to obtain the desired clamping force.

なお、第2の締結手段75を設ける場合には、第2の締結手段75の周囲に封止枠78を設けることが好ましい。封止枠78を設けることにより、第2の締結手段75が設けられた箇所からから水分や鉄粉などが侵入することを防止できる。 When providing the second fastening means 75, it is preferable to provide a sealing frame 78 around the second fastening means 75. By providing the sealing frame 78, it is possible to prevent moisture, iron powder, etc. from entering through the area where the second fastening means 75 is provided.

封止枠78の断面形状についても特に限定されず、任意の形状であってよい。例えば、図4に示したように矩形であってもよく、また、円形であってもよい。断面形状が円形である封止枠としては、例えば、Oリングを使用することもできる。また、封止枠78の材質は特に限定されず、例えば、樹脂、セラミック、金属など、各種の材料を用いることができる。樹脂を用いる場合には、使用環境に応じた耐熱性を有する樹脂を用いればよい。また、前記金属としては、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、および鋼からなる群より選択される少なくとも1つを用いることが好ましい。 The cross-sectional shape of the sealing frame 78 is not particularly limited and may be any shape. For example, it may be rectangular as shown in Figure 4, or it may be circular. An O-ring, for example, may be used as a sealing frame with a circular cross-sectional shape. The material of the sealing frame 78 is also not particularly limited and various materials may be used, such as resin, ceramic, and metal. If resin is used, it is sufficient to use a resin that has heat resistance appropriate to the usage environment. It is also preferable to use at least one metal selected from the group consisting of copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, and steel.

(第五の実施形態)
次に、図5を参照して、上記第四の実施形態の変形例である第五の実施形態について説明する。なお、以下の説明で言及していない部分の構造については図4に示した第四の実施形態と同様とすることができる。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment, which is a modification of the fourth embodiment, will be described with reference to Fig. 5. Note that the structure of parts not mentioned in the following description can be the same as that of the fourth embodiment shown in Fig. 4.

本実施形態の熱電発電装置は、第四の実施形態の構成に加え、さらに、第2の封止部材79を備えている。第2の封止部材79は、図5に示したように、第2の締結手段75のボルト76の周囲を囲むように、冷却板20と、冷却板20側の絶縁基板31との間に設けられている。このように第2の封止部材79を設けることにより、第2の締結手段75を設けた箇所からの水分や鉄粉の侵入をさらに効果的に防止することができる。水分などの侵入防止効果をさらに高めるためには、第2の封止部材79は、第2の締結手段75のボルト76、冷却板20、および冷却板20側の絶縁基板31の3つの部材に接するように設けることが好ましい。 The thermoelectric generator of this embodiment further includes a second sealing member 79 in addition to the configuration of the fourth embodiment. As shown in FIG. 5, the second sealing member 79 is provided between the cooling plate 20 and the insulating substrate 31 on the cooling plate 20 side, surrounding the bolts 76 of the second fastening means 75. By providing the second sealing member 79 in this manner, it is possible to more effectively prevent the intrusion of moisture and iron powder from the location where the second fastening means 75 is provided. To further enhance the effectiveness of preventing the intrusion of moisture and other contaminants, it is preferable to provide the second sealing member 79 so that it contacts three components: the bolts 76 of the second fastening means 75, the cooling plate 20, and the insulating substrate 31 on the cooling plate 20 side.

第2の封止部材79としては、例えば、環状の弾性シール部材を用いることが好ましい。前記環状の弾性シール部材としては、断面が矩形のものや円形のものなど、任意の形状のものを使用できるが、Oリングを用いることが好ましい。 It is preferable to use, for example, an annular elastic sealing member as the second sealing member 79. The annular elastic sealing member can be of any shape, such as a rectangular or circular cross section, but it is preferable to use an O-ring.

第2の封止部材79の材質としては、特に限定されることなく、隙間を封止して水分や鉄粉の侵入を防止できるものであれば任意のものを用いることができる。第2の封止部材79の材質は、弾性材料であることが好ましく、絶縁性の弾性材料であることがより好ましい。絶縁性の弾性材料としては、典型的には、ゴムを用いることができる。なお、前記ゴムには、エラストマーも包含するものとする。特に耐熱性の観点からは、フッ素ゴムを用いることが好ましく、中でもパーフロロエラストマーを用いることが好ましい。 The material of the second sealing member 79 is not particularly limited, and any material can be used as long as it can seal the gap and prevent the intrusion of moisture and iron powder. The material of the second sealing member 79 is preferably an elastic material, and more preferably an insulating elastic material. Typically, rubber can be used as an insulating elastic material. Note that the term rubber also includes elastomers. From the standpoint of heat resistance in particular, it is preferable to use fluororubber, and in particular, perfluoroelastomer.

1 熱電発電装置
10 受熱板
20 冷却板
30 熱電発電モジュール
31 絶縁基板
32 熱電発電素子
33 外周封止枠
34 端子部
35 リード部材
36 電極
40 熱伝導シート
50 封止部材
60 絶縁材
70 締結手段(第1の締結手段)
71 ボルト
72 コイルスプリング
75 第2の締結手段
76 ボルト
77 コイルスプリング
78 封止枠
79 第2の封止部材
80 支持部材
REFERENCE SIGNS LIST 1 Thermoelectric power generation device 10 Heat receiving plate 20 Cooling plate 30 Thermoelectric power generation module 31 Insulating substrate 32 Thermoelectric power generation element 33 Peripheral sealing frame 34 Terminal portion 35 Lead member 36 Electrode 40 Thermally conductive sheet 50 Sealing member 60 Insulating material 70 Fastening means (first fastening means)
71 Bolt 72 Coil spring 75 Second fastening means 76 Bolt 77 Coil spring 78 Sealing frame 79 Second sealing member 80 Support member

Claims (5)

製鉄所の製造設備列に取り付けて使用される熱電発電装置であって、
受熱板と、前記受熱板に対向する冷却板と、前記受熱板と前記冷却板の間に配置され
た熱電発電モジュールと、前記受熱板と前記熱電発電モジュールの間に配置された熱伝導シートと、前記熱電発電モジュールの外周を支持する支持部材と、封止部材とを備え、
前記熱電発電モジュールは、
対向する一対の絶縁基板と、
前記一対の絶縁基板の間に挟持された複数の熱電発電素子と、
前記一対の絶縁基板の間に挟持され、前記一対の絶縁基板の外周を封止する外周封止枠と、
前記熱電発電素子に接続された端子部と、
前記端子部に接続され、前記一対の絶縁基板のうちの前記冷却板側の絶縁基板と前記冷却板とを貫通して設けられたリード部材とを備え、
前記支持部材は、前記受熱板側の前記絶縁基板と前記受熱板との間に設置されており、
前記封止部材は、前記冷却板と前記熱電発電モジュールの間の外周部に環状に配置されており、
前記リード部材は、前記封止部材の内側に配置されている、熱電発電装置。
A thermoelectric power generation device to be attached to a line of manufacturing equipment in a steelworks,
a heat receiving plate, a cooling plate facing the heat receiving plate, a thermoelectric power generation module arranged between the heat receiving plate and the cooling plate, a thermally conductive sheet arranged between the heat receiving plate and the thermoelectric power generation module, a support member supporting an outer periphery of the thermoelectric power generation module, and a sealing member;
The thermoelectric power generation module includes:
a pair of opposing insulating substrates;
a plurality of thermoelectric power generation elements sandwiched between the pair of insulating substrates;
an outer periphery sealing frame that is sandwiched between the pair of insulating substrates and seals the outer peripheries of the pair of insulating substrates;
a terminal portion connected to the thermoelectric power generation element;
a lead member connected to the terminal portion and provided to penetrate through the insulating substrate of the pair of insulating substrates that is on the cooling plate side and the cooling plate,
the support member is disposed between the insulating substrate on the heat receiving plate side and the heat receiving plate,
the sealing member is disposed in an annular shape on the outer periphery between the cooling plate and the thermoelectric power generation module,
The lead member is disposed inside the sealing member.
さらに、前記受熱板および前記冷却板を締結する締結手段を備える、請求項1に記載の熱電発電装置。 The thermoelectric power generation device of claim 1, further comprising fastening means for fastening the heat receiving plate and the cooling plate. 前記封止部材がOリングである、請求項1または2に記載の熱電発電装置。 The thermoelectric generator according to claim 1 or 2, wherein the sealing member is an O-ring. 前記封止部材がフッ素ゴム製である、請求項1または2に記載の熱電発電装置。 The thermoelectric generator according to claim 1 or 2, wherein the sealing member is made of fluororubber. 請求項1または2に記載の熱電発電装置を製鉄所の製造設備列に取り付け、
前記熱電発電装置により熱を電力に変換する、熱電発電方法。
The thermoelectric power generation device according to claim 1 or 2 is installed in a line of manufacturing equipment in a steelworks,
A thermoelectric power generation method for converting heat into electric power by the thermoelectric power generation device.
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