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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023160312
(43)【公開日】2023-11-02
(54)【発明の名称】熱電変換装置
(51)【国際特許分類】
H10N 10/13 20230101AFI20231026BHJP
【ＦＩ】
H01L35/30
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022070583
(22)【出願日】2022-04-22
(71)【出願人】
【識別番号】000165974
【氏名又は名称】古河機械金属株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100110928
【弁理士】
【氏名又は名称】速水 進治
(72)【発明者】
【氏名】湯浅 文雄
(72)【発明者】
【氏名】土田 友則
(57)【要約】
【課題】熱電変換装置の熱電変換の高効率化と装置の簡素化を実現する技術を提供する。
【解決手段】熱電変換装置１は、同軸に設けられた第１の配管１０、第２の配管２０、および第３の配管４０を備え、第１の配管１０は、内部に高温ガスＨＧが流通されるとともに、横断面の外形が多角形状を呈する領域を有しており、多角形状により形成された多角形面１２のそれぞれに当接して設けられた熱電変換素子３０と、熱電変換素子３０の外周に加圧により密着して囲繞する、弾性変形するセパレータ２３と、を有し、セパレータ２３と第２の配管２０が画成する円環状閉空間２４内に加圧した非圧縮性流体（高熱伝導性グリースＴＧ）が充填され、第２の配管２０と第３の配管４０が画成する円環状空間４１内に冷却媒体（水Ｗ）が流通される。
【選択図】図１
【解決手段】熱電変換装置１は、同軸に設けられた第１の配管１０、第２の配管２０、および第３の配管４０を備え、第１の配管１０は、内部に高温ガスＨＧが流通されるとともに、横断面の外形が多角形状を呈する領域を有しており、多角形状により形成された多角形面１２のそれぞれに当接して設けられた熱電変換素子３０と、熱電変換素子３０の外周に加圧により密着して囲繞する、弾性変形するセパレータ２３と、を有し、セパレータ２３と第２の配管２０が画成する円環状閉空間２４内に加圧した非圧縮性流体（高熱伝導性グリースＴＧ）が充填され、第２の配管２０と第３の配管４０が画成する円環状空間４１内に冷却媒体（水Ｗ）が流通される。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
同軸に設けられた第１の配管、第２の配管、および第３の配管を備える熱電変換装置であって、
前記第１の配管は、内部に高熱媒体が流通されるとともに、横断面の外形が多角形状を呈する領域を有しており、
前記多角形状により形成された多角形面のそれぞれに当接して設けられた熱電変換素子と、
前記熱電変換素子の外周に加圧により密着して囲繞する、弾性変形するセパレータと、
を有し、
前記セパレータと前記第２の配管が画成する円環状の空間内に加圧した非圧縮性流体が充填され、
前記第２の配管と前記第３の配管が画成する円環状の空間内に冷却媒体が流通される、熱電変換装置。
前記第１の配管は、内部に高熱媒体が流通されるとともに、横断面の外形が多角形状を呈する領域を有しており、
前記多角形状により形成された多角形面のそれぞれに当接して設けられた熱電変換素子と、
前記熱電変換素子の外周に加圧により密着して囲繞する、弾性変形するセパレータと、
を有し、
前記セパレータと前記第２の配管が画成する円環状の空間内に加圧した非圧縮性流体が充填され、
前記第２の配管と前記第３の配管が画成する円環状の空間内に冷却媒体が流通される、熱電変換装置。
【請求項2】
前記第１の配管と前記セパレータが画成する空間であって軸線長手方向に前記熱電変換素子が存在しない箇所に、外径が前記セパレータと接し、かつ、内径が前記第１の配管の外径と接しない円環状のカラーを有し、
前記セパレータと前記第１の配管が画成する空間が真空とされている、請求項１に記載の熱電変換装置。
前記セパレータと前記第１の配管が画成する空間が真空とされている、請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項3】
前記非圧縮性流体の圧力を調整する圧力調整手段を備える、請求項１又は２に記載の熱電変換装置。
【請求項4】
前記非圧縮性流体が高熱伝導性グリースである、請求項１又は２に記載の熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、例えば図３～図４に示すように、一部の熱電変換装置１０００は、内部に高熱媒体を流通させ、かつ、横断面の外径が多角形状の配管１００と、多角形を構成する複数の面１２２に複数の熱電変換素子２００を当接させ、熱電変換素子２００の外表面をヒートシンク３００で覆い、ヒートシンク３００の外側にサポートリング４００を配置し、サポートリング４００に装着したコイルスプリング４１０によってヒートシンク３００および熱電変換素子２００を配管１００の軸心方向へと付勢している（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１９－１６０８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明者は、配管の外側に取り付けられた熱電変換素子を含む熱電変換装置の新規な構造を検討し、熱電変換の高効率化と装置の簡素化を実現することを検討した。
【0005】
本発明の目的は、熱電変換装置の熱電変換の高効率化と装置の簡素化を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明によれば、以下の発明が提供される。
［１］
同軸に設けられた第１の配管、第２の配管、および第３の配管を備える熱電変換装置であって、
前記第１の配管は、内部に高熱媒体が流通されるとともに、横断面の外形が多角形状を呈する領域を有しており、
前記多角形状により形成された多角形面のそれぞれに当接して設けられた熱電変換素子と、
前記熱電変換素子の外周に加圧により密着して囲繞する、弾性変形するセパレータと、
を有し、
前記セパレータと前記第２の配管が画成する円環状の空間内に加圧した非圧縮性流体が充填され、
前記第２の配管と前記第３の配管が画成する円環状の空間内に冷却媒体が流通される、熱電変換装置。
［２］
前記第１の配管と前記セパレータが画成する空間であって軸線長手方向に前記熱電変換素子が存在しない箇所に、外径が前記セパレータと接し、かつ、内径が前記第１の配管の外径と接しない円環状のカラーを有し、
前記セパレータと前記第１の配管が画成する空間が真空とされている、［１］に記載の熱電変換装置。
［３］
前記非圧縮性流体の圧力を調整する圧力調整手段を備える、［１］又は［２］に記載の熱電変換装置。
［４］
前記非圧縮性流体が高熱伝導性グリースである、［１］から［３］までのいずれか１つに記載の熱電変換装置。
［１］
同軸に設けられた第１の配管、第２の配管、および第３の配管を備える熱電変換装置であって、
前記第１の配管は、内部に高熱媒体が流通されるとともに、横断面の外形が多角形状を呈する領域を有しており、
前記多角形状により形成された多角形面のそれぞれに当接して設けられた熱電変換素子と、
前記熱電変換素子の外周に加圧により密着して囲繞する、弾性変形するセパレータと、
を有し、
前記セパレータと前記第２の配管が画成する円環状の空間内に加圧した非圧縮性流体が充填され、
前記第２の配管と前記第３の配管が画成する円環状の空間内に冷却媒体が流通される、熱電変換装置。
［２］
前記第１の配管と前記セパレータが画成する空間であって軸線長手方向に前記熱電変換素子が存在しない箇所に、外径が前記セパレータと接し、かつ、内径が前記第１の配管の外径と接しない円環状のカラーを有し、
前記セパレータと前記第１の配管が画成する空間が真空とされている、［１］に記載の熱電変換装置。
［３］
前記非圧縮性流体の圧力を調整する圧力調整手段を備える、［１］又は［２］に記載の熱電変換装置。
［４］
前記非圧縮性流体が高熱伝導性グリースである、［１］から［３］までのいずれか１つに記載の熱電変換装置。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、熱電変換の高効率化と装置の簡素化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
図１は、実施形態に係る熱電変換装置１の縦断面図である。図２は熱電変換装置１の横断面図であって、特に図１の熱電変換素子３０の装着された箇所を示している。
図１は、実施形態に係る熱電変換装置１の縦断面図である。図２は熱電変換装置１の横断面図であって、特に図１の熱電変換素子３０の装着された箇所を示している。
【0010】
熱電変換装置１は、同軸に設けられた第１の配管１０、第２の配管２０、および第３の配管４０を備える。
第１の配管１０は、内部空間１１に高熱媒体として高温ガスＨＧを流通させている。第１の配管１０の横断面の外形が正多角形（ここでは、正十六角形）を呈している。すなわち、第１の配管１０の外周面（外側面ともいう）には、周方向に並んで１６箇所の平面（以下、「多角形面１２」という）が形成されている。
これら多角形面１２が形成されるのは、少なくとも、軸線の長手方向（図１の紙面左右方向）で熱電変換素子３０が装着される領域であり、その他の箇所の外形は、円（すなわち円筒形状の外形）を呈してもよいし、多角形面１２を呈してもよい。
第１の配管１０は、内部空間１１に高熱媒体として高温ガスＨＧを流通させている。第１の配管１０の横断面の外形が正多角形（ここでは、正十六角形）を呈している。すなわち、第１の配管１０の外周面（外側面ともいう）には、周方向に並んで１６箇所の平面（以下、「多角形面１２」という）が形成されている。
これら多角形面１２が形成されるのは、少なくとも、軸線の長手方向（図１の紙面左右方向）で熱電変換素子３０が装着される領域であり、その他の箇所の外形は、円（すなわち円筒形状の外形）を呈してもよいし、多角形面１２を呈してもよい。
【0011】
第２の配管２０の長手方向の前後２箇所には前板２１と後板２２が装着されている。前板２１と後板２２が形成する空間内において、多角形面１２に熱電変換素子３０が当接されている。
熱電変換素子３０の外周には、セパレータ２３が密着して配置され、熱電変換素子３０を囲繞する。セパレータ２３は、加圧により弾性変形する特性を有する。
なお、本実施態様では、熱電変換素子３０は長手方向にタンデムに配列されて設けられている構成を例示するが、これに限る主旨ではなく各種の配置を採用できる。
熱電変換素子３０の外周には、セパレータ２３が密着して配置され、熱電変換素子３０を囲繞する。セパレータ２３は、加圧により弾性変形する特性を有する。
なお、本実施態様では、熱電変換素子３０は長手方向にタンデムに配列されて設けられている構成を例示するが、これに限る主旨ではなく各種の配置を採用できる。
【0012】
第１の配管１０とセパレータ２３が形成する空間であって長手方向に熱電変換素子３０が存在しない箇所に円環状のカラー３３が配置されている。カラー３３は、外径がセパレータ２３と接し、かつ、内径が第１の配管１０の外径と接しない構成となっている。
カラー３３は、前板２１および後板２２に接する端部カラー３３ａと、２箇所の熱電変換素子３０の間に配設される中央カラー３３ｂとで構成される。
カラー３３は、前板２１および後板２２に接する端部カラー３３ａと、２箇所の熱電変換素子３０の間に配設される中央カラー３３ｂとで構成される。
【0013】
第２の配管２０とセパレータ２３によって円環状閉空間２４が画成されている。円環状閉空間２４には非圧縮性流体である高熱伝導性グリースＴＧが充填されている。
高熱伝導性グリースＴＧとして、例えば、熱伝導率が２～１０Ｗ／ｍＫ、粘度５０～１００Ｐａ・ｓ（２５℃）といった物性値を有する材料（例えばシリコーンオイル）を用いることができる。
また、円環状閉空間２４には、円環状閉空間２４内部の圧力を調整する圧力調整手段２５が設けられている。
圧力調整手段２５は、加圧部２５ａ、測定部２５ｂ、制御部２５ｃおよび配管２５ｄで構成される。
加圧部２５ａは、円環状閉空間２４内部を加圧又は減圧する。測定部２５ｂは、円環状閉空間２４内部の圧力を測定する。ここでは、円環状閉空間２４と連結している配管２５ｄの圧力を測定する。制御部２５ｃは、測定部２５ｂの測定結果をもとに加圧部２５ａを制御して、円環状閉空間２４内部の圧力を調整する。本実施形態では、制御部２５ｃは円環状閉空間２４内部の圧力を一定に調整する。配管２５ｄは、加圧部２５ａと円環状閉空間２４とを連結する。
高熱伝導性グリースＴＧとして、例えば、熱伝導率が２～１０Ｗ／ｍＫ、粘度５０～１００Ｐａ・ｓ（２５℃）といった物性値を有する材料（例えばシリコーンオイル）を用いることができる。
また、円環状閉空間２４には、円環状閉空間２４内部の圧力を調整する圧力調整手段２５が設けられている。
圧力調整手段２５は、加圧部２５ａ、測定部２５ｂ、制御部２５ｃおよび配管２５ｄで構成される。
加圧部２５ａは、円環状閉空間２４内部を加圧又は減圧する。測定部２５ｂは、円環状閉空間２４内部の圧力を測定する。ここでは、円環状閉空間２４と連結している配管２５ｄの圧力を測定する。制御部２５ｃは、測定部２５ｂの測定結果をもとに加圧部２５ａを制御して、円環状閉空間２４内部の圧力を調整する。本実施形態では、制御部２５ｃは円環状閉空間２４内部の圧力を一定に調整する。配管２５ｄは、加圧部２５ａと円環状閉空間２４とを連結する。
【0014】
熱電変換素子３０には配線３１が接続されている。配線３１が後板２２を挿通する箇所は、フィードスルー３２によって密封と絶縁が保たれている。セパレータ２３と第１の配管１０が画成する閉空間３４が真空引きにより真空（例えば１００Ｐａ以下）となっている。
【0015】
第２の配管２０と第３の配管４０によって円環状空間４１が画成され、円環状空間４１には冷却媒体として水Ｗが流通している。冷却媒体は水Ｗ以外であってもよい。
本実施態様においては、多角形面１２と熱電変換素子３０の当接面、および、熱電変換素子３０とセパレータ２３の当接面には図示しないカーボンシートを介挿している。
本実施態様においては、多角形面１２と熱電変換素子３０の当接面、および、熱電変換素子３０とセパレータ２３の当接面には図示しないカーボンシートを介挿している。
【0016】
本実施態様においては、第１の配管１０、第２の配管２０、第３の配管４０およびセパレータ２３はいずれも熱伝導率の高い金属材料（例えば、銅、鉄、アルミニウム（それらの合金を含む））で構成される。これらは同一材料であってもよいし、異なる材料でもよい。なお、第１の配管１０は、酸化防止を考慮するとステンレスが好ましい。第２の配管２０は、高い熱伝導率を実現する観点から銅やアルミニウム（それらの合金を含む）が好ましい。
また、本実施態様においては、セパレータ２３としては、肉厚が０．０３～０．２ｍｍの金属箔パイプが用いられてもよい。金属箔パイプとして、例えばステンレス箔で作成した管を用いることができる。
一方で、前板２１、後板２２およびカラー３３は熱伝導率の低い金属材料や樹脂材料で構成される。これらは同一材料であってもよいし、異なる材料でもよい。
また、本実施態様においては、セパレータ２３としては、肉厚が０．０３～０．２ｍｍの金属箔パイプが用いられてもよい。金属箔パイプとして、例えばステンレス箔で作成した管を用いることができる。
一方で、前板２１、後板２２およびカラー３３は熱伝導率の低い金属材料や樹脂材料で構成される。これらは同一材料であってもよいし、異なる材料でもよい。
【0017】
次に、本実施態様の熱電変換装置１を用いて発電する様子を説明する。
第１の配管１０の内部空間１１に高温ガスＨＧを流通させ、第２の配管２０と第３の配管４０が画成する円環状空間４１に水Ｗを流通させる。第２の配管２０とセパレータ２３が画成する円環状閉空間２４に充填した高熱伝導性グリースＴＧを、圧力調整手段２５を用いて一定の圧力に加圧する。
第１の配管１０の内部空間１１に高温ガスＨＧを流通させ、第２の配管２０と第３の配管４０が画成する円環状空間４１に水Ｗを流通させる。第２の配管２０とセパレータ２３が画成する円環状閉空間２４に充填した高熱伝導性グリースＴＧを、圧力調整手段２５を用いて一定の圧力に加圧する。
【0018】
熱電変換素子３０は、その内面側（すなわち第１の配管１０側）が高温となり、その外面側（円環状空間４１側）が低温となる。これにより、熱電変換素子３０の内面側と外面側との間に温度差が形成される。この結果、熱電変換素子３０では熱電変換作用によって発電が行われる。
このとき、熱電変換素子３０はセパレータ２３を介して高熱伝導性グリースＴＧによって一様に軸心側へと押圧されており、熱電変換素子３０と第１の配管１０の多角形面１２との密着度合いが高い状態に保たれるので、熱電変換の効率が向上する。
このとき、熱電変換素子３０はセパレータ２３を介して高熱伝導性グリースＴＧによって一様に軸心側へと押圧されており、熱電変換素子３０と第１の配管１０の多角形面１２との密着度合いが高い状態に保たれるので、熱電変換の効率が向上する。
【0019】
第１の配管１０とセパレータ２３が形成する空間であって長手方向に熱電変換素子３０が存在しない箇所に、外径がセパレータ２３と接し、かつ、内径が第１の配管１０の外径と接しない円環状のカラー３３を配置するので、高熱伝導性グリースＴＧによってセパレータ２３が軸心側へ押圧されてもカラー３３がこれを受けるのでセパレータ２３が破断することはない。なお、カラー３３として円環状のものを例示したが、これに限らず、セパレータ２３の破断防止機能を発揮する形状であれば各種の形状を採用できる。
【0020】
熱電変換装置１においては、熱電変換素子３０以外の箇所においては断熱されていることが好ましい。ここで、カラー３３は熱伝導率の低い金属材料で構成され、セパレータ２３と第１の配管１０が画成する閉空間３４が真空となり高い断熱性が実現されている。この結果、熱電変換素子３０における熱電変換の効率が向上する。
【0021】
次に、本実施態様の熱電変換装置１と従来の熱電変換装置１０００を対比する。
１）熱電変換素子と高温熱源との密着について
従来の熱電変換装置１０００は、ヒートシンク３００の外側にサポートリング４００を配置し、サポートリング４００に装着したコイルスプリング４１０によってヒートシンク３００および熱電変換素子２００を配管１００の軸心方向へと付勢している。すなわち、熱電変換装置１０００ではヒートシンク３００が押圧部材となって熱電変換素子２００を押圧することになる。
１）熱電変換素子と高温熱源との密着について
従来の熱電変換装置１０００は、ヒートシンク３００の外側にサポートリング４００を配置し、サポートリング４００に装着したコイルスプリング４１０によってヒートシンク３００および熱電変換素子２００を配管１００の軸心方向へと付勢している。すなわち、熱電変換装置１０００ではヒートシンク３００が押圧部材となって熱電変換素子２００を押圧することになる。
【0022】
ヒートシンク３００は、図４に示す通り、軸心長手方向において、タンデムに配列した熱電変換素子２００のみならず、その前後に配された水流のインレット／アウトレットの配管まで延伸する長尺な部材であることが見て取れる。
【0023】
このヒートシンク３００をコイルスプリング４１０で付勢しているが、熱電発電中に構成部材に局所的な熱変形が生じた場合、これに柔軟に追従して部材同士の密着度合いを保つことは非常に困難である。
【0024】
これに対して本実施形態の熱電変換装置１では、熱電変換素子３０はセパレータ２３を介して非圧縮性流体である高熱伝導性グリースＴＧによって一様に軸心側へと押圧（付勢）されており、部品同士、すなわち熱電変換素子３０と第１の配管１０の多角形面１２との密着度合いが高い状態に保たれる。
【0025】
２）装置構成について
先ず、熱電変換素子の高温熱源への押圧構造に着目すると、従来の熱電変換装置１０００は、メカニカルな付勢手段を採用しており非常に凝った装置構成となっているのに対して、本実施形態の熱電変換装置１では非圧縮性流体による付勢手段を採用しており構成部材は極めて簡素にまとめられている。このことは両者の図面を、構成する部品点数の多寡に着目して参照すればその差は明らかである（特に、両者の図面の縮尺を合わせて対比するとその差は歴然である）。
先ず、熱電変換素子の高温熱源への押圧構造に着目すると、従来の熱電変換装置１０００は、メカニカルな付勢手段を採用しており非常に凝った装置構成となっているのに対して、本実施形態の熱電変換装置１では非圧縮性流体による付勢手段を採用しており構成部材は極めて簡素にまとめられている。このことは両者の図面を、構成する部品点数の多寡に着目して参照すればその差は明らかである（特に、両者の図面の縮尺を合わせて対比するとその差は歴然である）。
【0026】
次に、真空引きする箇所に着目すると、熱電変換装置１０００はサポートリング４００の外側を覆うように圧力容器を構成し、この内部空間を真空引きしているので大掛かりなものとなっているのに対し、熱電変換装置１では極小な閉空間３４を真空引きするので極めて簡素である。
【0027】
このように、本実施態様の熱電変換装置１は従来と比較して熱電変換の効率が向上し、装置構成を簡素化することが可能となっている。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【0028】
１ 熱電変換装置
１０ 第１の配管
１１ 内部空間
１２ 多角形面
２０ 第２の配管
２１ 前板
２２ 後板
２３ セパレータ
２４ 円環状閉空間
２５ 圧力調整手段
２５ａ 加圧部
２５ｂ 測定部
２５ｃ 制御部
２５ｄ 配管
３０ 熱電変換素子
３１ 配線
３２ フィードスルー
３３ カラー
３３ａ 端部カラー
３３ｂ 中央カラー
３４ 閉空間
４０ 第３の配管
４１ 円環状空間
ＨＧ 高熱媒体（高温ガス）
ＴＧ 非圧縮性流体（高熱伝導性グリース）
Ｗ 冷却媒体（水）
１０ 第１の配管
１１ 内部空間
１２ 多角形面
２０ 第２の配管
２１ 前板
２２ 後板
２３ セパレータ
２４ 円環状閉空間
２５ 圧力調整手段
２５ａ 加圧部
２５ｂ 測定部
２５ｃ 制御部
２５ｄ 配管
３０ 熱電変換素子
３１ 配線
３２ フィードスルー
３３ カラー
３３ａ 端部カラー
３３ｂ 中央カラー
３４ 閉空間
４０ 第３の配管
４１ 円環状空間
ＨＧ 高熱媒体（高温ガス）
ＴＧ 非圧縮性流体（高熱伝導性グリース）
Ｗ 冷却媒体（水）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】