特許 7144832 熱電発電システム及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-21

(45)【発行日】2022-09-30

(54)【発明の名称】熱電発電システム及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H02N 11/00 20060101AFI20220922BHJP

   H01L 35/30 20060101ALI20220922BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20220922BHJP

【ＦＩ】

H02N11/00 A

H01L35/30

H05K7/20 D

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2018131678

(22)【出願日】2018-07-11

(65)【公開番号】P2020010559

(43)【公開日】2020-01-16

【審査請求日】2021-04-20

(73)【特許権者】

【識別番号】515135114

【氏名又は名称】株式会社Ｅサーモジェンテック

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中西 朗

(72)【発明者】

【氏名】池村 昭彦

(72)【発明者】

【氏名】岡嶋 道生

(72)【発明者】

【氏名】大畑 惠一

(72)【発明者】

【氏名】南部 修太郎

【審査官】三澤 哲也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－２０７９９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－００４５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０３６９８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３１４４５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０３３８１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１７１１５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００１７３３４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０５６２６２１３（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｎ １１／００

Ｈ０１Ｌ ３５／３０

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円管状の熱源パイプ外面に熱電発電モジュールが装着された熱電発電システムであって、
前記熱電発電モジュールの外面に、放熱フィンが巻きつけられており、
前記放熱フィンは、
前記熱電発電モジュール側に位置する、容易に曲がることが可能なベースプレートと、
前記ベースプレート上に設けられ、該ベースプレートと柔軟性接着剤又は接着シートで接着された折り曲げフィンと、
前記ベースプレートの両端にそれぞれ設けられ、前記ベースプレートが前記熱電発電モジュールに巻きつけられた状態で、締めあげ、固定する機構を有する剛性フランジと、
を備え、
前記熱電発電モジュールの外面に前記放熱フィンを巻きつけた状態で、前記両端の剛性フランジの合わせ部分において、前記ベースプレートと前記熱源パイプとの間の空隙ができないように、前記ベースプレートと前記熱源パイプとの間に柔軟性シートが挿入されていることを特徴とする熱電発電システム。

【請求項2】

前記剛性フランジの固定する機能として、２次元的に配置された少なくとも３箇所のネジ穴を有することを特徴とする請求項１に記載の熱電発電システム。

【請求項3】

前記ベースプレートが前記熱電発電モジュールに巻きつけられる場合の、前記熱源パイプ又は前記熱電発電モジュールの円周方向における、前記ベースプレートの前記剛性フランジ間の寸法は、
（熱源パイプの外径＋熱電発電モジュールの厚さの２倍）×円周率
よりも小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱電発電システム。

【請求項4】

前記折り曲げフィンの前記ベースプレートとは反対側の頂部が開口されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１つに記載の熱電発電システム。

【請求項5】

少なくとも前記放熱フィンの表面に黒体輻射増感用表面仕上げが施されていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１つに記載の熱電発電システム。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか１つに記載の熱電発電システムの製造方法であって、
前記放熱フィンは、
前記熱電発電モジュール側に位置する、容易に曲がることが可能なベースプレートと、
前記ベースプレート上に設けられ、該ベースプレートと柔軟性接着剤又は接着シートで接着された折り曲げフィンと、
前記ベースプレートの両端にそれぞれ設けられ、前記ベースプレートが前記熱電発電モジュールに巻きつけられた状態で、締めあげ、固定する機構を有する剛性フランジと、
を備え、
前記熱源パイプの外面に装着された前記熱電発電モジュールの外面に前記放熱フィンを巻きつける工程と、
前記熱電発電モジュールの外面に前記放熱フィンを巻きつけた状態で、前記両端の剛性フランジの合わせ部分において、前記ベースプレートと前記熱源パイプとの間に空隙ができないように、前記ベースプレートと前記熱源パイプとの間に柔軟性シートを挿入する工程と、
前記柔軟シートを挿入した後、前記両端の剛性フランジ同士を合わせて締めあげ、固定する工程と、を含むことを特徴とする熱電発電システムの製造方法。

【請求項7】

前記熱電発電モジュールの外面に前記放熱フィンを巻きつけた状態で、前記熱電発電モジュール等により生じる、前記両端の剛性フランジの合わせ部分における、該剛性フランジ間の間隙に応じて柔軟性スペーサーを挿入する工程を更に含むことを特徴とする請求６に記載の熱電発電システムの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱源パイプに装着された熱電発電モジュールの外側を冷却する放熱フィン及びその装着方法に関する。

【背景技術】

【0002】

現代の産業社会においては、特に工場、発電所、製鉄所、自動車、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おり、その７５％以上が２５０℃以下の排水や排気と推定されている。

【0003】

熱電発電は、これらの無駄に捨てられる熱から電気を起こすため、地球環境の保護に極めて有用である。これらの廃熱は、一般的に円筒状の排気パイプや排水パイプ等の排熱パイプを通じて輸送される。このため、これらの廃熱を、熱電発電の熱源として簡便に、かつ効率よく利用するためには、排熱パイプの外表面に密着させることができるフレキシブルな熱電発電モジュールが必要となる。

【0004】

このようなフレキシブルな熱電発電モジュールを用いて熱電発電システムを構成する場合には、熱電発電モジュールにできる限り温度差をつけるために、該熱電発電モジュールにおける熱源とは反対側の部分を冷却する必要がある。

【0005】

その簡便な方法として、特許文献１には、図５に示すように、複数の熱電素子を実装した熱電変換モジュール１１０を排熱パイプ１００に装着し、熱電変換モジュール１１０の外側に、排熱パイプ１００の筒軸方向に沿って、フレキシブル熱伝導基板１２０に取り付けられた放熱フィン１３０を設けた熱電発電システムが開示されている。特許文献１の発電システムでは、放熱フィン１３０には、矢印Ｗの方向から、送風ファンで風が送られることにより、熱電変換モジュール１１０の排熱パイプ１００と反対側が冷却される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１６－２０７９９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１に開示された放熱フィン及びその装着については、単に一般的な形態しか開示されていない。また、放熱フィンの排熱パイプへの装着、固定方法も詳細に示されていない。したがって、熱電発電モジュールに対して低熱抵抗で放熱性に優れた、放熱フィン及びその装着方法を実現するという観点からは改良の余地がある。

【0008】

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、熱源パイプ外面に熱電発電モジュールが装着され、その外側に放熱フィンが設けられる場合に、熱電発電モジュールに対して均等加圧装着でき、かつ放熱性に優れ、かつ低コストの放熱フィン及びその装着方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係る放熱フィンは、熱源パイプ外面に装着された熱電発電モジュールの外側に巻きつけられる放熱フィンであって、前記熱電発電モジュール側に位置するベースプレートと、前記ベースプレート上に設けられた折り曲げフィンと、前記ベースプレートの両端にそれぞれ設けられ、前記ベースプレートが前記熱電発電モジュールに巻きつけられた状態で、締めあげ、固定する機構を有する剛性フランジと、を備える。

【0010】

ある好適な実施形態において、前記剛性フランジの固定する機能として、２次元的に配置された少なくとも３箇所のネジ穴を有することを特徴とする。

【0011】

前記ベースプレートが前記熱電発電モジュールに巻きつけられる場合の、前記熱源パイプ又は前記熱電発電モジュールの円周方向における、前記ベースプレートの前記剛性フランジ間の寸法は、
（熱源パイプの外径＋熱電発電モジュールの厚さの２倍）×円周率
よりも小さくてもよい。

【0012】

前記折り曲げフィンは、柔軟性接着材又は接着シートで前記ベースプレートに接着されていてもよい。

【0013】

前記折り曲げフィンは、金属と金属との圧着溶着又はロウ付けによって前記ベースプレートに接合されていてもよい。

【0014】

また他の好適な実施形態において、上記放熱フィンは、前記折り曲げフィンのベースプレートの反対側の頂部が開口されている。

【0015】

また、前記放熱フィンは、少なくとも前記放熱フィンの表面に黒体輻射増感用表面仕上げが施されていてもよい。

【0016】

ここで、前記放熱フィンの熱電発電モジュールの外側への装着に当たっては、前記熱源パイプの外面に装着された前記熱電発電モジュールの外面に前記放熱フィンを巻きつける工程と、前記熱電発電モジュールの外面に前記放熱フィンを巻きつけた状態で、前記両端の剛性フランジの合わせ部分において、前記ベースプレートと前記熱源パイプとの間に空隙ができないように、前記ベースプレートと前記熱源パイプとの間に柔軟性シートを挿入する工程と、前記柔軟性シートを挿入した後、前記両端の剛性フランジ同士を合わせて締めあげ、固定する工程と、を含む。

【0017】

また、前記両端の剛性フランジの合わせ部分における、該剛性フランジ間の間隙に応じて柔軟性スペーサーを挿入する工程を更に含んでもよい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、熱源パイプ外面に熱電発電モジュールが装着され、その外側に放熱フィンが設けられる場合に、熱電発電モジュールに対して均等加圧装着でき、かつ低い界面熱抵抗で放熱性に優れ、かつ低コストの放熱フィン及びその装着方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施形態１における放熱フィンの外観斜視図である。

【図2】図１の放熱フィンを装着した実施形態における断面図である。

【図3】本発明の実施形態２における放熱フィンの外観斜視図である。

【図4】図３の放熱フィンを装着した実施形態における断面図である。

【図5】従来の放熱フィンを装着した形態を示した斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

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。

【0021】

（実施形態１）
図１は、実施形態１における放熱フィン１の構成を模式的に示した斜視図である。また、図２は、図１の放熱フィン１を、熱源パイプ２１の外面に装着された熱電発電モジュール２２の外面に装着した状態での、該熱源パイプ２１の筒軸方向に垂直な断面図である。

【0022】

図１に示すように、本実施形態１における放熱フィン１は、ベースプレート１１に折り曲げフィン１２が接着シート１３で接合されたものである。尚、接着シート１３の代わりに柔軟製接着剤を用いてもよい。

【0023】

ベースプレート１１は、容易に曲がるようにアルミニウムや銅のような金属の薄板が好適である。折り曲げフィン１２は同様な素材で種々形状と大きさの物を低コストで製造可能である。両者の接合にはフレキシブル性を確保するために、柔軟性接着剤あるいは接着シート１３を用いるのが良い。また、接合部は低熱抵抗が望ましく、作業性をも勘案すると接着シート１３が適当である。接着シート１３としては、例えば、両面粘着性の高熱伝導率のカーボンシートが挙げられる。

【0024】

ベースプレート１１の長手方向の両端には、ベースプレート１１が熱電発電モジュール２２の外面に巻きつけられた状態で、締めあげ、固定する機構を有する剛性フランジ１４、１５がそれぞれ設けられている。ここで、ベースプレート１１は、熱電発電モジュール２２の外面にずれなく密着して装着させる必要がある。このため、両剛性フランジ１４，１５は、変形の無い剛性を有している。また、例えば、両剛性フランジ１４，１５をネジで固定する場合には、両剛性フランジ１４，１５の平行性が確保され、かつ位置ずれの無いように、両剛性フランジ１４，１５は、２次元的に配置された少なくとも３箇所のネジ穴１６を有する。

【0025】

また、該放熱フィン１は、熱電発電モジュール２２の外面に巻きつけられた状態で、締めあげられるため、両剛性フランジ１４，１５間の寸法は熱電発電モジュール２２の外面が成す円管の周囲長より小さくなければならない。このため、以下の式で算出される値よりも小さいことが必要である。
（熱源パイプの外径＋熱電発電モジュールの厚さの２倍）×円周率
該放熱フィン１は、自然空冷の場合、放熱能力を高めるために、放熱フィン１の表面に黒体輻射増感用表面仕上げが施されていることが望ましい。これには黒色塗料を塗布するか、黒色アルマイト処理を施せば良い。

【0026】

この放熱フィン１の装着の好適例では、図２に示すように、熱源パイプ２１の外面に装着された熱電発電モジュール２２の外面へ巻きつける。このとき、熱電発電モジュール２２が熱源パイプ２１の全外周に亘らない場合でも、円管状になって均等加圧できるように、両端の剛性フランジ１４，１５の合わせ部分において、ベースプレート１１と熱源パイプ２１との間に空隙ができないように、ベースプレート１１と熱源パイプ２１との間に柔軟性シート２３を挿入するのが好ましい。柔軟性シート２３は、例えば、シリコーン樹脂製のシートである。

【0027】

さらに、本実施形態１では、剛性フランジ１４，１５の合わせ部分において、熱電発電モジュール２２の外面が成す円管の周囲長と放熱フィン１の長手方向の長さとの差で生じる、両剛性フランジ１４，１５間の間隙に応じて、柔軟性スペーサー２４を挿入し、ネジ２５により放熱フィン１を締めあげる。これにより、放熱フィン１は、熱電発電モジュール２２の外面に亘り均等加圧で隙間なく装着できる。尚、本実施形態１では、熱源パイプ２１に対して、熱電発電モジュール２２と放熱フィン１とをより低熱接触抵抗で装着するために、放熱シート２６，２７も用いている。

【0028】

放熱フィン１を構成する要素の各寸法等は、例えば、ベースプレート１１は、０．５ｍｍ厚のアルミニウム板であり、折り曲げフィン１２は、０．２ｍｍ厚のアルミニウム板である。また、例えば、折り曲げフィン１２の数は２３であり、各折り曲げフィン１２の高さはそれぞれ３０ｍｍであり、各折り曲げフィン１２の幅は６０ｍｍである。折り曲げフィン１２の底部は、例えば、厚さ０．３ｍｍの両面粘着剤付きのカーボンシートでベースプレート１１に接着されている。両端の剛性フランジ１４，１５は、例えば、２．５ｍｍ厚のアルミニウム板である。両剛性フランジ間の、放熱フィン１の長手方向における長さは、例えば、外径３４ｍｍの熱源パイプ２１（外周約１０６ｍｍ）に厚さ１．５ｍｍの熱電発電モジュール２２を巻きつけ、外側に該放熱フィン１を装着する場合には、１１５ｍｍである。剛性フランジ１４，１５には、それぞれ、ネジ固定用のΦ５ｍｍの穴を３か所設けている。放熱フィン１の全体は、黒色アルマイト処理されている。

【0029】

折り曲げフィン１２をベースプレート１１に接着する耐熱材料としては、例えば、シリコーン系、アクリル変性シリコーン系、柔軟性エポキシ系、その他、ポリエステル系、ウレタン系、アクリル系などが好適である。

【0030】

折り曲げフィン１２をベースプレート１１に接合する有効な他の方法として、金属と金属との圧着溶着が挙げられる。上記の組み合わせではアルミニウムとアルミニウムの直接溶着であるが、ベースプレート１１を銅、折り曲げフィン１２をアルミニウムとする、銅とアルミニウムの溶着でも良い。均一で強固な接合が得られる。他にも、折り曲げフィン１２とベースプレート１１とをロウ付けにより接合してもよい。ロウ材としては銀やアルミニウに対してはアルミニウム－シリコン合金が有効である。

【0031】

放熱フィン１を熱電変換モジュール２２（厚さ１．５ｍｍ、パイプの筒軸方向の長さ５０ｍｍ、外周方向長さ９５ｍｍ）の外側に装着するにあたっては、両端の剛性フランジ１４，１５の合わせ部分において、ベースプレート１１と熱源パイプ２１との間に約１１ｍｍの熱電発電モジュール２２の両端部間に間隙ができるので、厚さ１．５ｍｍの厚さのシリコーンシート（柔軟性シート２３）を挿入している。また、両剛性フランジ１４，１５間には、厚さ約２ｍｍのシリコーンゴム製のスペーサー（柔軟性スペーサー２４）を挟んで両剛性フランジ１４，１５を締め上げれば良い。

【0032】

以上の放熱フィン１及びその装着方法の実施形態１によれば、簡単な構成で、かつ低コストで、かつ熱電発電モジュール２２に対して均等加圧装着でき、かつ低界面熱抵抗で放熱性に優れる放熱手段を実現できる。

【0033】

（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２における放熱フィン２０１の構成を模式的に示した斜視図である。また、図４は、図３の放熱フィン２０１を熱源パイプ２２１上の熱電発電モジュール２２２の外面に装着した時の熱源パイプ２２１の筒軸方向に垂直な断面図である。

【0034】

本実施形態２によれば、折り曲げフィン２１２のベースプレート２１１とは反対側の頂部３１が開口されているので、熱源パイプ２２１上の熱電発電モジュール２２２の外面に装着した時に折り曲げフィン２１２が広がり、放熱に関わる実効的な表面積が増大するので放熱能力が向上する。

【0035】

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。

【符号の説明】

【0036】

１，２０１ 放熱フィン
１１，２１１ ベースプレート
１２，２１２ 折り曲げフィン
１３ 接着シート
１４，１５ 剛性フランジ
１６ ネジ穴
２１，２２１ 熱源パイプ
２２，２２２ 熱電発電モジュール
２３ 柔軟性シート
２４ 柔軟性スペーサー
２５ ネジ
２６，２７ 放熱シート
３１ 折り曲げフィンの頂部
１００ 排熱パイプ
１１０ 熱電変換モジュール
１２０ フレキシブル熱伝導基板
１３０ 放熱フィン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】