JP5065077B2

JP5065077B2 - 熱電発電装置

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Publication number: JP5065077B2
Application number: JP2008035966A
Authority: JP
Inventors: 仁才儲; 美香向島; 勉畠中
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2028-02-18
Also published as: JP2009194299A

Description

本発明は、熱電変換素子を用いることにより温度差を利用して発電を行う熱電発電装置に関する。

従来から、熱電変換素子を高温側熱交換器と低温側熱交換器との間に配置して発電を行う熱電発電が知られている。熱電変換素子は、ペルチェ効果、トムソン効果、又は、ゼーベック効果と呼ばれる熱電効果を応用したものであり、半導体材料を用いる場合には、Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とを組み合わせて熱電変換モジュールが構成される。このような熱電変換モジュールは、構造が簡単かつ取り扱いが容易で安定な特性を維持できることから、自動車のエンジンや工場の炉等から排出されるガス中の熱を利用して発電を行う熱電発電への適用に向けて、広く研究が進められている。

熱電発電への適用においては、高温側熱交換器及び低温側熱交換器の性能向上が求められるのは勿論のこと、高温側熱交換器又は低温側熱交換器と熱電変換モジュールとの間の接触熱抵抗も、熱電変換モジュールの両側の温度差に大きく影響することが知られている。特に、熱電変換モジュールにおいて、両側の温度差によって変形が生じて接触熱抵抗が増大すると、熱電変換効率の大幅な低下が生じてしまう。

また、熱電変換モジュールの耐久性の観点からは、熱電変換モジュールが酸素に触れない環境が望ましい。熱電変換モジュール自体を完全に封止したものも存在するが、そのような熱電変換モジュールを使用すると、高温側熱交換器又は低温側熱交換器と熱電変換モジュールとの間が多層構造になってしまうので、接触熱抵抗が増大するという欠点がある。

関連する技術として、特許文献１には、熱発電体を加熱部と冷却部との間に適正に保持することを目的とする熱発電装置が開示されている。この熱発電装置は、それぞれ高温側と低温側との温度差によって起電力を生じる複数の熱発電モジュールと、複数の熱発電モジュールの高温側に接触する高温側熱交換器と、高温側熱交換器との間で複数の熱発電モジュールを挟むようにして複数の熱発電モジュールの低温側に接触する低温側熱交換器と、複数の熱発電モジュールを高温側熱交換器と低温側熱交換器との間に挟み込んでそれぞれ保持するための荷重を付与する皿ばねと、皿ばねによる保持荷重を複数の熱発電モジュール毎に独立して調整可能な荷重調整機構とを備えている。

荷重調整機構は、具体的には、共通のブラケット（筐体）に固着されたウェルドナットと、ウェルドナットに螺合されている荷重調整ボルトと、荷重調整ボルトの先端と皿ばねとの間に挟まれたばね押えプレートとを主要構成要素としている。しかしながら、このような機構は複雑であり、スタック構造とすることができないので、熱電発電装置を小型化するのには適していない。
特開２００７−１４９８４１号公報（第１、８頁、図１）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、熱交換器と熱電変換モジュールとの間の接触熱抵抗を低減して、熱電変換効率が高く、耐久性及び信頼性に優れ、コンパクトでスペース効率及びメインテナンス性が良好な熱電発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る熱電発電装置は、高温のガスと低温の冷却液との温度差を利用して発電を行う熱電発電装置であって、対向して配置され、冷却液が導入される第１及び第２の低温側熱交換器と、第１及び第２の低温側熱交換器の対向した第１の面と第２の面との間に分散して配置された複数のバネと、第１の低温側熱交換器の第１の面と反対側の面に取り付けられた少なくとも１つの第１の熱電変換モジュールと、第２の低温側熱交換器の第２の面と反対側の面に取り付けられた少なくとも１つの第２の熱電変換モジュールと、第１の低温側熱交換器との間で少なくとも１つの第１の熱電変換モジュールを挟むように配置され、ガスが導入される第１の高温側熱交換器と、第２の低温側熱交換器との間で少なくとも１つの第２の熱電変換モジュールを挟むように配置され、ガスが導入される第２の高温側熱交換器とを具備する。

本発明によれば、第１及び第２の低温側熱交換器の間で複数のバネを収縮させながら第１及び第２の高温側熱交換器を連結することにより、熱交換器と熱電変換モジュールとの間の接触熱抵抗を低減して、熱電変換効率が高く、耐久性及び信頼性に優れ、コンパクトでスペース効率及びメインテナンス性が良好な熱電発電装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱電発電装置の構成単位を示す平面図である。また、図２は、図１に示す熱電発電装置の構成要素を分解して示す斜視図であり、図３は、図２に示す構成要素が結合された状態を示す斜視図である。図１〜図３に示すように、この熱電発電装置は、２つの高温側熱交換器（高温ダクト）１０と、少なくとも１つの熱電変換モジュール２０が各々に取り付けられた２つの低温側熱交換器（冷却板）３０とを含んでいる。

高温側熱交換器１０には、自動車のエンジンや工場の炉等からの高温の排ガスが導入される。また、低温側熱交換器３０には、冷却液（例えば水）が導入される。図２に示すように、各々の低温側熱交換器３０には、水を第１の方向（図２における下方）及び第２の方向（図２における上方）にそれぞれ流すための流路３０ａが設けられており、上下２つの低温側熱交換器３０の流路３０ａ同士は、シール材（例えば、Ｏリング）３０ｂを介して連結される。

本実施形態においては、２つの低温側熱交換器３０が、上下２段に積み重ねられている。上下２段の内の一方の低温側熱交換器３０に固定された位置決め部材（例えば、パンチングメタル）４１の複数の開口内に、複数のバネ４０が分散して配置されており、上下２つの低温側熱交換器３０は、複数のバネ４０を挟むように対向して配置される。このように複数のバネ４０を分散して配置することにより、高温側熱交換器１０又は低温側熱交換器３０と熱電変換モジュール２０との間の接触熱抵抗を低減させることができると共に、熱電変換モジュール２０の耐振性を向上させることができる。

ここで、低温側熱交換器３０の冷却液の出入り口を、剛性を有する流路３０ａによる積層構造とすることにより、上下に連続して積み重ねられた低温側熱交換器３０の冷却液の入口及び出口の各々を１本のパイプに連結することができる。また、熱電変換モジュール２０と低温側熱交換器３０とを一体化して封止することにより、熱電変換モジュール２０を単独で封止する必要がなくなるので、熱電変換モジュール２０と低温側熱交換器３０との間の接触熱抵抗を増加させずに、熱電変換モジュール２０を完全に封止することが可能となる。

高温側熱交換器１０は、例えば、ステンレス鋼で形成され、高い剛性を有している。一方、低温側熱交換器３０は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成され、柔軟性を有している。さらに、低温側熱交換器３０に柔軟性を持たせるために、低温側熱交換器３０の板材の肉厚を例えば１ｍｍ程度に薄くしたり、内部流路の高さを例えば２ｍｍ程度に低くしたり、図５〜図７に示すように低温側熱交換器３０自体をガスの流れ方向と直交する方向に細長く分割するようにしても良い。そのようにすれば、低温側熱交換器３０が、１枚の薄い板のように柔軟になる。

図３に示すように、低温側熱交換器３０を貫通する多段ボルト５０を用いて、２つの高温側熱交換器１０を上下から締め付けて連結すると、上下２段の低温側熱交換器３０の間で複数のバネ４０が収縮すると共に低温側熱交換器３０が変形して、熱電変換モジュール２０が高温側熱交換器１０に押し付けられて密着する。同時に、上下２段の低温側熱交換器３０の流路３０ａ同士が連結する。これにより、接触熱抵抗が低減するので、大幅な熱電変換効率の向上が期待できる。また、バネ４０を押すための補助部品を要しないので、熱電発電装置の構造をシンプルにすることができる。

ここで、図４の（Ａ）に示すように、低温側熱交換器３０を貫通する多段ボルト５０と高温側熱交換器１０とを直接接触させても良いし、図４の（Ｂ）に示すように、多段ボルト５０と高温側熱交換器１０との間にカラー５１等を挟んで、高温側熱交換器１０同士の間隔を調整できるようにしても良い。なお、図３においては、各々の高温側熱交換器１０の１箇所に取り付けられた多段ボルト５０のみを示しているが、実際には、各々の高温側熱交換器１０の複数箇所（図１においては、２０箇所）に多段ボルト５０が低温側熱交換器３０を通して取り付けられる。図５に示すように、低温側熱交換器３０が細長く分割された場合には、細長く分割された低温側熱交換器３０の間を通して、多段ボルト５０が取り付けられるようにしても良い。

さらに、低温側熱交換器３０を貫通する多段ボルト５０を用いることにより、図３に示すような構成単位を積み上げてスタック構造とすることができるので、熱電発電装置のコンパクト性が向上する。その場合には、高温側熱交換器１０の層、熱電変換モジュール２０の層、低温側熱交換器３０の層、バネ４０の層、低温側熱交換器３０の層、熱電変換モジュール２０の層、高温側熱交換器１０の層、熱電変換モジュール２０の層、低温側熱交換器３０の層、・・・の順序で各層が配置される。

図５は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る熱電発電装置の構成単位を示す平面図である。また、図６は、図５に示す熱電発電装置の構成要素を分解して示す斜視図であり、図７は、図６に示す構成要素が結合された状態を示す斜視図である。第１の実施形態の変形例においては、低温側熱交換器３０が、ガスの流れ方向と直交する方向に細長く分割されており、水平方向において複数列（図５〜図７においては、３列）の低温側熱交換器３０が、それぞれ上下２段に積み重ねられている。その他の点に関しては、本発明の第１の実施形態と同一である。

図２及び図６を参照すると、高温側熱交換器１０及び低温側熱交換器３０の内部において、少なくとも熱電変換モジュール２０の位置に対応する領域に、ピン形状を有する多数の伝熱フィンが設けられている。

高温側熱交換器１０に設けられる伝熱フィンは、例えば、ステンレス鋼によって形成され、フィンの断面形状は様々であるが、相当直径を例えば１ｍｍ程度に細くすることによって、ガスの流れに対する流動抵抗が抑えられて伝熱性能が向上するのみならず、すすも付着し難くなる。また、ガスの流れ方向におけるガス温度は伝熱と共に低下して行くので、ガスの流れ方向において熱電変換モジュール２０の発電出力が減って行く。これを避けて、各々の熱電変換モジュール２０の発電出力を最大限に引き出すために、排ガスの入口付近において密度を低く、排ガスの出口に近付くに従って密度を高くして、ガスの流れ方向において熱電変換モジュール２０に発生する温度差がほぼ均一となるように、排ガスが流れる方向において伝熱フィンのピッチが異なるようにしても良い。低温側熱交換器３０に設けられる伝熱フィンは、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金によって形成され、フィンの断面形状は様々であるが、相当直径が例えば１ｍｍ〜２ｍｍ程度で、ピッチが例えば２ｍｍ〜４ｍｍ程度である。

図８は、図１〜図３及び図５〜図７に示す熱電変換モジュールの一例を示す斜視図である。熱電変換モジュール２０は、Ｐ型素子（Ｐ型半導体）２１及びＮ型素子（Ｎ型半導体）２２を含んでいる。Ｐ型素子２１及びＮ型素子２２の材料としては、例えば、ビスマス（Ｂｉ）−テルル（Ｔｅ）系の化合物が用いられる。また、熱電変換モジュール２０は、電極２３と、端子２４及び２５と、電気絶縁基板２６及び２７とを含んでいる。

熱電変換モジュール２０において、Ｐ型素子２１とＮ型素子２２とを、電極２３を介して接合することにより、ＰＮ素子対が形成されている。直列接続された複数のＰＮ素子対において、一方の端のＮ型素子には端子２４が接続されており、他方の端のＰ型素子には端子２５が接続されている。電気絶縁基板２６と電気絶縁基板２７との間に温度差を与えると、端子２４と端子２５との間に起電力が発生する。

本実施形態においては、電極２３として金属の電極を用いているが、さらに、電極２３と素子２１又は２２との間に接合層や拡散防止層を設けても良い。電気絶縁基板２６及び２７は、例えば、アルミナ等のセラミック板、又は、窒化アルミ板であり、電極２３と高温側熱交換器１０又は低温側熱交換器３０との間の電気的絶縁を確保すると共に、低い熱抵抗を有しており、高温側熱交換器１０と熱電変換モジュール２０の高温側との間、及び、低温側熱交換器３０と熱電変換モジュール２０の低温側との間の熱抵抗が最小限に抑えられる。

あるいは、図２又は図６に示す高温側熱交換器１０の１つの面にセラミックを溶射して絶縁領域を形成することにより、高温側熱交換器１０側に取り付けられる電気絶縁基板を省略することができる。低温側熱交換器３０の１つの面に高熱伝導樹脂を圧着し、又は、低温側熱交換器３０がアルミニウム製である場合には、低温側熱交換器３０の１つの面にアルマイト処理を施して絶縁領域を形成することにより、低温側熱交換器３０側に取り付けられる電気絶縁基板を省略しても良い。

図９は、熱電変換モジュールの配線方法の例を説明するための図である。図９においては、３列に並べられた複数の熱電変換モジュール２０が示されており、各列には３個以上（図９においては４個）の熱電変換モジュール２０が配置されている。この例においては、熱電変換モジュールの列ごとに配線が行われる。

図９に示すように、熱電変換モジュールの各列において、ビニール等で被覆された導線を有する電線２８を用いて、複数の熱電変換モジュール２０の配線が互い違いに行われる。即ち、各列において、奇数番目の熱電変換モジュールの２つの端子が、列と直交する第１の方向（図９においては前方）を向くように配置され、偶数番目の熱電変換モジュールの２つの端子が、第１の方向と反対の第２の方向（図９においては後方）を向くように配置され、１つおきの熱電変換モジュールの一方の端子同士が電気的に接続される。

例えば、第２列の熱電変換モジュールＭ（２，１）〜Ｍ（２，４）において、熱電変換モジュールＭ（２，１）の一方の端子が、熱電変換モジュールＭ（２，３）の一方の端子に接続され、熱電変換モジュールＭ（２，２）の一方の端子が、熱電変換モジュールＭ（２，４）の一方の端子に接続される。さらに、熱電変換モジュールＭ（２，１）の他方の端子が、熱電変換モジュールＭ（２，２）の他方の端子に接続され、熱電変換モジュールＭ（２，３）の他方の端子８３が、第１の外部接続端子又は熱電変換モジュールＭ（３，４）の端子８４に接続され、熱電変換モジュールＭ（２，４）の他方の端子８２が、第２の外部接続端子又は熱電変換モジュールＭ（１，３）の端子８１に接続される。第１列の熱電変換モジュールＭ（１，１）〜Ｍ（１，４）、及び、第３列の熱電変換モジュールＭ（３，１）〜Ｍ（３，４）においても同様である。これにより、複数の熱電変換モジュール２０を、隙間を極力小さくして隣り合わせに配置することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る熱電発電装置を示す斜視図である。第２の実施形態においては、スタック構造の両端に剛性の高い板６０及び７０が配置される。従って、板６０、バネ４０の層、低温側熱交換器３０の層、熱電変換モジュール２０の層、高温側熱交換器１０の層、・・・、熱電変換モジュール２０の層、低温側熱交換器３０の層、バネ４０の層、板７０の順序で各層が配置される。その他の点に関しては、第１の実施形態と同様である。第２の実施形態によっても、第１の実施形態におけるのと同様の効果を奏することができる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る熱電発電装置を示す斜視図である。第３の実施形態においては、スタック構造の一端に剛性の高い板６０が配置される。従って、板６０、バネ４０の層、低温側熱交換器３０の層、熱電変換モジュール２０の層、高温側熱交換器１０の層、熱電変換モジュール２０の層、低温側熱交換器３０の層、・・・、高温側熱交換器１０の層の順序で各層が配置される。その他の点に関しては、第１の実施形態と同様である。第３の実施形態によっても、第１の実施形態におけるのと同様の効果を奏することができる。

本発明は、熱電変換素子を用いることにより温度差を利用して発電を行う熱電発電装置において利用することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る熱電発電装置の構成単位を示す平面図である。図１に示す熱電発電装置の構成要素を分解して示す斜視図である。図２に示す構成要素が結合された状態を示す斜視図である。多段ボルトと高温側熱交換器との接続構造を示す図である。本発明の第１の実施形態の変形例に係る熱電発電装置の構成単位を示す平面図である。図５に示す熱電発電装置の構成要素を分解して示す斜視図である。図６に示す構成要素が結合された状態を示す斜視図である。図１〜図３及び図５〜図７に示す熱電変換モジュールの一例を示す斜視図である。熱電変換モジュールの配線方法の例を説明するための図である。本発明の第２の実施形態に係る熱電発電装置を示す斜視図である。本発明の第３の実施形態に係る熱電発電装置を示す斜視図である。

符号の説明

１０…高温側熱交換器、２０…熱電変換モジュール、２１…Ｐ型素子、２２…Ｎ型素子、２３…電極、２４、２５…端子、２６、２７…電気絶縁基板、２８…電線、３０…低温側熱交換器、３０ａ…流路、３０ｂ…シール材、４０…バネ、４１…位置決め部材、５０…多段ボルト、６０、７０…板、８０〜８５…端子

Claims

高温のガスと低温の冷却液との温度差を利用して発電を行う熱電発電装置であって、
対向して配置され、冷却液が導入される第１及び第２の低温側熱交換器と、
前記第１及び第２の低温側熱交換器の対向した第１の面と第２の面との間に分散して配置された複数のバネと、
前記第１の低温側熱交換器の前記第１の面と反対側の面に取り付けられた少なくとも１つの第１の熱電変換モジュールと、
前記第２の低温側熱交換器の前記第２の面と反対側の面に取り付けられた少なくとも１つの第２の熱電変換モジュールと、
前記第１の低温側熱交換器との間で前記少なくとも１つの第１の熱電変換モジュールを挟むように配置され、ガスが導入される第１の高温側熱交換器と、
前記第２の低温側熱交換器との間で前記少なくとも１つの第２の熱電変換モジュールを挟むように配置され、ガスが導入される第２の高温側熱交換器と、
を具備する熱電発電装置。
前記第１及び第２の高温側熱交換器が、前記第１及び第２の低温側熱交換器よりも高い剛性を有する、請求項１記載の熱電発電装置。
前記複数のバネが、前記少なくとも１つの第１の熱電変換モジュールの位置及び前記少なくとも１つの第２の熱電変換モジュールの位置に対応する位置に配置されている、請求項２記載の熱電発電装置。
前記第１及び第２の高温側熱交換器の内部において、ピン形状を有する複数の伝熱フィンが、前記少なくとも１つの第１の熱電変換モジュールの位置及び前記少なくとも１つの第２の熱電変換モジュールの位置に対応する領域に、ガスが流れる方向においてピッチが異なるように設けられている、請求項１〜３のいずれか１項記載の熱電発電装置。
前記少なくとも１つの第１の熱電変換モジュールが、１列に配置された３個以上の熱電変換モジュールを含むと共に、前記少なくとも１つの第２の熱電変換モジュールが、１列に配置された３個以上の熱電変換モジュールを含み、各列において、奇数番目の熱電変換モジュールの２つの端子が、列と直交する第１の方向を向くように配置され、偶数番目の熱電変換モジュールの２つの端子が、第１の方向と反対の第２の方向を向くように配置され、１つおきの熱電変換モジュールの一方の端子同士が電気的に接続されている、請求項１〜４のいずれか１項記載の熱電発電装置。
前記複数のバネを前記第１又は第２の低温側熱交換器に固定するために前記第１又は第２の低温側熱交換器に取り付けられた位置決め部材をさらに具備する、請求項１〜５のいずれか１項記載の熱電発電装置。
前記第１及び第２の低温側熱交換器の間で前記複数のバネを収縮させながら前記第１及び第２の高温側熱交換器を連結するための複数の多段ボルトをさらに具備する、請求項１〜６のいずれか１項記載の熱電発電装置。