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1. WO2020138288 - COOLING AND POWER GENERATION DEVICE, AND COOLING AND POWER GENERATION SYSTEM USING SAID COOLING AND POWER GENERATION DEVICE

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明 細 書

発明の名称 冷却兼発電装置および該冷却兼発電装置を用いた冷却兼発電システム

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0005  

課題を解決するための手段

0006   0007   0008   0009  

発明の効果

0010   0011  

図面の簡単な説明

0012  

発明を実施するための形態

0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041  

符号の説明

0042  

請求の範囲

1   2   3   4  

図面

1   2   3  

明 細 書

発明の名称 : 冷却兼発電装置および該冷却兼発電装置を用いた冷却兼発電システム

技術分野

[0001]
 本発明は、冷却を兼ねた発電装置、及び該発電装置を用いたシステムに関する。

背景技術

[0002]
 従来、熱電変換を利用した発電装置として、低温側電極と高温側電極の間に、p型熱電変換素子とn型熱電変換素子が挟持された構造のものが広く知られている(例えば、特許文献1参照。)。このような熱電変換モジュールは、異なる部位に温度差を与えることで、高温部と低温部との間に電位差を生じさせるゼーベック効果を利用した発電装置として知られている。
[0003]
 しかし、このような従来の発電装置の分野では、熱電変換素子の両端に大きな温度差を与えて熱電変換効率を上げるため、素材の熱伝導率を下げ、両端に大きな温度差を与えることにのみ注目されていた。
 また、従来のヒートシンク等の冷却装置の分野では、放熱性のみが注視され、廃熱の有効利用がなされていない。

先行技術文献

特許文献

[0004]
特許文献1 : 特開2016-111326号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0005]
 そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、熱電変換効率を高め、発電能力を向上させるとともに、冷却装置としても使用できる冷却兼発電装置、および該冷却兼発電装置を用いた冷却兼発電システムを提供する点にある。

課題を解決するための手段

[0006]
 本発明は、以下の発明を包含する。
 (1) 冷却対象物に当接される当接面を有し、該当接面を通じて冷却対象物の熱が伝達される金属製の吸熱体と、該吸熱体の外面上に、p型とn型とが交互に間隔をあけて並んで突設され、各々対向面に開口する複数の貫通孔を有する複数の熱電変換素子と、隣接する前記熱電変換素子同士を電気接続する電極材と、各熱電変換素子の前記貫通孔に冷却用流体を流通させる流路とを備え、前記吸熱体から熱が伝達された熱電変換素子を冷却用流体により冷却することで温度勾配を付与し、発電と同時に冷却器として機能する、冷却兼発電装置。
[0007]
 (2) 前記電極材が、隣接する各熱電変換素子の対面する貫通孔開口領域の内部又は近傍間に渡設される第1の電極材と、隣接する各熱電変換素子の吸熱体に突設している基端部又は近傍間に渡設される第2の電極材とよりなる(1)記載の冷却兼発電装置。
[0008]
 (3) (1)又は(2)記載の冷却兼発電装置と、p型とn型とが交互に間隔をあけて並設され、各々対向面に開口する複数の貫通孔を有する複数の熱電変換素子、隣接する前記熱電変換素子同士を電気接続する電極材、各熱電変換素子における前記貫通孔が開口する両開口面に、それぞれ第1の流体を通過させる貫通孔が開口している第1の領域と、前記第1の流体よりも低温の第2の流体を通過させる貫通孔が開口しているか、或いは貫通孔が開口しておらず、前記第2の流体がその表面に沿って流れる第2の領域とを設定し、隣接する各熱電変換素子の対面する第1の領域間を連通させ、各熱電変換素子の前記第1の領域に対して第1の流体を順次供給する第1の流路、並びに、隣接する各熱電変換素子の対面する第2の領域間を連通させ、各熱電変換素子の前記第2の領域に対して第2の流体を順次供給する第2の流路を備え、前記第1の流体の熱を前記熱電変換素子を通じて第2の流体に排出することで温度勾配を付与し、発電と同時に第1の流体の放熱器として機能する、放熱兼発電装置と、前記冷却兼発電装置の前記流路から出た冷却用流体を、前記放熱兼発電装置の第1の流体として前記第1の流路に導く排熱流路と、を備える冷却兼発電システム。
[0009]
 (4) 前記放熱兼発電装置の第1の流路から出た流体を、前記冷却兼発電装置の冷却用流体として前記流路に戻すための戻し流路と、前記排熱流路および戻し流路を通じて前記冷却兼発電装置と放熱兼発電装置との間で冷却用流体を循環させるポンプと、をさらに備える(3)記載の冷却兼発電システム。

発明の効果

[0010]
 以上にしてなる本発明にかかる冷却兼発電装置によれば、熱電変換素子と冷却用流体との間の熱交換が、貫通孔を有する大伝熱面積で行われ、従来の発電装置に比べて熱電変換効率が著しく向上するとともに、冷却対象物から効率よく熱を奪って冷却用流体に伝えることができ、効率よく冷却対象物を冷却するヒートシンクとして機能する、効率の良い冷却兼発電装置を提供することができる。
[0011]
 また、本発明にかかる冷却兼発電システムによれば、冷却対称物の熱が、上記のとおり冷却兼発電装置により冷却用流体に効力よく排熱するとともに発電し、さらに、熱を吸収した冷却用流体が通過する放熱兼発電装置により、冷却用流体の熱を放熱するとともに発電し、冷却兼発電装置と放熱兼発電装置の2回にわたって熱電変換されるため、冷却対象物を効率よく冷却すると同時に、より大きな電気エネルギーを回収することができる。また、放熱兼発電装置で冷却用流体の熱が放熱されるため、この冷却用流体を再度、冷却兼発電装置に戻し、効率よく循環利用させることが可能となる。

図面の簡単な説明

[0012]
[図1] 本発明の代表的実施形態に係る冷却兼発電装置を示す斜視図。
[図2] 本発明の代表的実施形態に係る冷却兼発電システムを示す説明図。
[図3] 同じく冷却兼発電システムに用いる放熱兼発電装置を示す斜視図。

発明を実施するための形態

[0013]
 次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。まず、図1に基づき、本発明の代表的実施形態に係る冷却兼発電装置を説明する。
[0014]
 本発明の冷却兼発電装置1は、図1に示すように、冷却対象物9に当接される当接面20を有し、該当接面20を通じて冷却対象物9の熱が伝達される金属製の吸熱体2と、該吸熱体2の外面21上に、p型とn型とが交互に間隔をあけて並んで突設され、各々対向面に開口する複数の貫通孔30を有する複数の熱電変換素子3A,3Bと、隣接する熱電変換素子3A,3B同士を電気接続する電極材4と、各熱電変換素子3A,3Bの貫通孔30に冷却用流体を流通させる流路5とを備えている。
[0015]
 このような冷却兼発電装置1は、吸熱体2から熱が伝達された熱電変換素子3A,3Bを、流路5を通過する冷却用流体によって冷却することで温度勾配を生じさせ、発電と同時に冷却器として機能するものである。
[0016]
 熱電変換素子3A,3Bは、p型熱電変換素子(3A)とn型熱電変換素子(3B)とが交互に並設されている。熱電変換素子3A/3Bの材料としては、p型熱電変換素子又はn型熱電変換素子として用いることができる公知の材料を広く適用することができる。
[0017]
 各熱電変換素子3A,3Bが有している貫通孔30は、たとえば熱電変換素子の無垢材にドリル加工やレーザ加工など公知の方法で形成することもできるが、加工コストが高価に及ぶこと、加工時間に長時間を要することなどから量産性に欠く。本例の熱電変換素子3A,3Bは、凝固法で成形された一方向に伸びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス熱電材料成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工してなる貫通孔を有する多孔材で構成され、貫通孔30は、前記切断により分断された前記気孔である。このようにロータス型ポーラス熱電材料成形体から切り出した多孔材を用いることで、一方向に延びる多数の貫通孔30を有する熱電変換素子3A/3Bを低コスト且つ容易に得ることができる。
[0018]
 このようなロータス型ポーラス熱電材料成形体は、高圧ガス法(Pressurized Gas Method)(例えば特許第3235813号公報開示の方法)や、熱分解法(Thermal Decomposition Method)など、公知の方法で成形することができる。ロータス型ポーラス熱電材料成形体から切り出した多孔材よりなる熱電変換素子3A/3Bには、貫通孔30以外に貫通していない有底の孔も存在するが、このような有底の孔も開口面の表面積を増大させる効果があり、流体との間の伝熱を促進する効果がある。
[0019]
 熱電変換素子3A/3Bの形状は、本例では貫通孔30の延びている厚み方向の長さの寸法が比較的小さい扁平な板状とされているが、その他の種々の形状に構成しても勿論よい。例えば、貫通孔の延びている厚み方向の長さの寸法が比較的長い立体形状などにすることも好ましい例である。
[0020]
 流路5は、具体的には対面する領域R間に設けられる断熱材からなる複数のチューブ50(管体)より構成されている。各チューブ50は、端面が熱電変換素子3A,3Bの貫通孔30が開口する開口面に接合された状態に設けられている。チューブ50は、冷却用流体を内部に流通させる管である。このようにチューブ50を用いることで、気孔が形成されやすいロータス型ポーラス熱電材料成形体よりなる熱電変換素子の適所に流路を形成することが容易となる。また、断面積が定まるチューブ50を用いることで、設計どおりの性能を安定して得ることができる。
[0021]
 より具体的には、チューブ50は、各熱電変換素子3A,3Bの上記開口面に対して流体が管内外に洩れないようにシールされた状態に接合されている。符号51は当該接合箇所のシール部である。このシール部は、ろう付けでもよいし、流体に応じて最適な公知のシール剤を用いることができる。例えば、フッ素ゴム、シリコーン系ゴム、ニトリルゴムなどを用いることができる。これらシール剤をチューブ50の端部に塗布して開口面に接合することもできるし、あらかじめ環状に成形したシート状のシール材をチューブ端部と開口面との間に挟み込むように設けてもよい。
[0022]
 電極材4としては、隣接する各熱電変換素子3A,3Bの対面する貫通孔開口領域Rの内部間に渡設される第1の電極材41と、隣接する各熱電変換素子3A.3Bの吸熱体2に突設している根元部である基端部31間に渡設される第2の電極材42とが各熱電変換素子3A,3B間に交互に設けられている。これら電極材41、42により、n型、p型の熱電変換素子が直列に電気接続され、大きい電圧を取り出すことが可能となるように構成されている。
[0023]
 具体的には、各熱電変換素子3A,3Bの基端部31が冷却対象物9の熱を吸熱体2を通じて受け取るとともに、当該熱の温度に対してより低温の冷却用流体を流路5に流すことで、各熱電変換素子103A、103B中で基端部31から領域Rの方向に温度差が生じ、ゼーベック効果により各素子に生じた電圧を上記電極材41、42を通してまとめて取り出すことができる。
[0024]
 電極材41は領域Rの内部間を接続しているが、領域Rの近傍で接続してもよい。電極材42についても、同じく基端部31の近傍で接続してもよい。たとえば、本例では基端部31の基端面に設けられ、各熱電変換素子3A,3Bは電極材42を介して吸熱体2に立設されているが、基端面を直接吸熱体2に密着させ、電極材42は各熱電変換素子3A,3Bの基端部31に近い開口面又は側端面に接続したものでもよい。
[0025]
 また、本実施形態では、各熱電変換素子3A,3Bに冷却用流体を通す貫通孔を有する領域を一つのみ設定し、該領域間に冷却用流体の流路5を設けたものであるが、各熱電変換素子3A,3Bに上記領域を複数設け、各領域間に冷却用流体の流路(及び電極材)を設けたものでもよい。
[0026]
 また、流路5はチューブ50ではなく、板状の隔壁などで構成したものでも勿論よい。たとえば熱電変換素子の前記基端部と反対側である上半分の面を隔壁で囲んで流路とすることも好ましい。貫通孔30は、流路5を通す領域R又はその周辺にのみ設けたものでもよい。
[0027]
 次に、本発明に係る冷却兼発電装置に対して放熱兼発電装置を組み合わせてなる、本発明に係る冷却兼発電システムの代表的実施形態について、図2及び図3に基づき説明する。
[0028]
 本実施形態の冷却兼発電システムSは、図2に示すように、上述の第1実施形態にかかる冷却兼発電装置1に対して、さらに該冷却兼発電装置1の流路5から排出された、冷却対象物9の熱を吸収した冷却用流体を取り込み、その熱を放熱する過程で、さらなる発電を行う放熱兼発電装置101を組み合わせたシステムである。
[0029]
 放熱兼発電装置101は、図3にも示すように、p型とn型とが交互に間隔をあけて並設され、各々対向面に開口する複数の貫通孔130を有する複数の熱電変換素子103A、103Bと、隣接する熱電変換素子103A,103B同士を電気接続する電極材104と、各熱電変換素子103における貫通孔130が開口する両開口面に、それぞれ第1の流体を通過させる貫通孔130が開口している第1の領域R1、並びに、第1の流体よりも低温の第2の流体を通過させる貫通孔130が開口している第2の領域R2を設定し、隣接する各熱電変換素子103A,103Bの対面する第1の領域R1間を連通させ、各熱電変換素子の第1の領域R1に対して第1の流体を順次供給する第1の流路151と、隣接する各熱電変換素子の対面する第2の領域R2間を連通させ、各熱電変換素子の第2の領域R2に対して第2の流体を順次供給する第2の流路152とを備えている。
[0030]
 放熱兼発電装置101は、第1の流体の熱を熱電変換素子103A,103Bを通じて第2の流体に排出することで温度勾配を付与し、発電と同時に第1の流体の放熱器として機能する。第2の領域は、貫通孔が開口しておらず、前記第2の流体がその表面に沿って流れる領域としてもよい。
[0031]
 熱電変換素子103A,103Bは、冷却兼発電装置1の熱電変換素子3A,3Bと同様、p型熱電変換素子(103A)とn型熱電変換素子(103B)とが交互に並設され、材料としてはp型熱電変換素子又はn型熱電変換素子として用いることができる公知の材料を広く適用することができる。また、貫通孔130は、たとえば熱電変換素子の無垢材にドリル加工やレーザ加工など公知の方法で形成することもできるが、熱電変換素子3A,3Bと同様、凝固法で成形された一方向に伸びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス熱電材料成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工してなる多孔材で構成され、貫通孔130は、前記切断により分断された前記気孔である。
[0032]
 形状についても、熱電変換素子3A/3Bと同様、本例では貫通孔130の延びている厚み方向の長さの寸法が比較的小さい扁平な板状とされているが、その他の種々の形状に構成しても勿論よい。例えば、貫通孔の延びている厚み方向の長さの寸法が比較的長い立体形状などにすることも好ましい例である。
[0033]
 第1の流路151は、対面する第1の領域R1間に設けられる複数の断熱材からなるチューブ50(管体)より構成されている。各チューブ50は、端面が熱電変換素子103A,103Bの貫通孔130が開口する開口面に接合された状態に設けられている。チューブ50は、第1の流体を内部に流通させる管であるが、外側に第2の流体を流通させる流体間の隔壁として機能する。このようにチューブ50を用いることで、気孔が形成されやすいロータス型ポーラス熱電材料成形体よりなる熱電変換素子の中央付近に流路を形成することが容易となる。また、断面積が定まるチューブ50を用いることで、設計どおりの性能を安定して得ることができる。
[0034]
 第2の流路152は、図示しない容器壁面で囲まれた低温の熱浴とされている。容器壁面がなく大気開放の形態としてもよい。このように本例では第2の流路152が熱浴となるため、第2の領域R2は流体通過孔が無くてもよい。すなわち、第2の領域R2は、流体通過孔が開口しておらず、前記第2の流体がその表面に沿って流れる領域としてもよい。
[0035]
 電極材104は、隣接する各熱電変換素子の対面する第1の領域R1の内部間に渡設される第1の電極材143と、隣接する各熱電変換素子の対面する第2の領域R2の内部又は近傍間に渡設される第2の電極材144とよりなり、これら電極材143、144が交互に設けられている。これら電極材143、144により、n型、p型の熱電変換素子が直列に電気接続され、大きい電圧を取り出すことが可能となるように構成されている。
[0036]
 具体的には、上述の冷却兼発電装置1から排出された比較的高温の冷却用流体を第1流体として第1の流路151に流すとともに、第1の流路151を構成する各チューブ50とともに各熱電変換素子103A,103Bの領域R2を低温の熱浴中に浸すことで、各熱電変換素子103A、103B中で熱流体の流れの中心部(領域R1)から外向き(周囲の領域R2)に、熱流体の流れに垂直な方向に温度差が生じ、ゼーベック効果により各素子に生じた電圧をまとめて取り出すことができる。
[0037]
 本例では、各熱電変換素子103A/103Bに、中央部の第1の領域R1と周囲の第2の領域R2とがそれぞれ一つづつ設定されているが、このような配置に何ら限定されず、いずれも複数設定されてもよい。たとえば、チューブが接続される第1の領域R1を複数設けることもできるし、また、たとえば第1の領域R1で第2の領域を左右に分断するようにして第2の領域を二つ以上設定することもできる。
[0038]
 また、第2の流路152として熱浴の代わりに第1の流路151と同じく断熱材よりなるチューブで構成したものでもよい。このように双方の流路151、152をともにチューブで構成することで、流路を形成しやすく、また、設計どおりの性能を安定して得ることができ、さらには、両流路151、152間、すなわちチューブ間に大きな隙間が維持され、両者間の断熱性が高まり、熱電変換効率をより向上させることができる。
[0039]
 また、第1の領域R1と第2の領域R2とを左右に区分けする板状の隔壁を、各熱電変換素子103A/103Bの間に設け、これら隔壁を境に第1の流体を流通させる流路151と第2の流体を流通させる流路152とが左右に設けられるものでもよい。
[0040]
 本実施形態の冷却兼発電システムSは、図3に示すように、放熱兼発電装置101で放熱された冷却用流体を再度、冷却兼発電装置1に戻すようにしている。具体的には、冷却兼発電装置1の流路5から出た冷却用流体を、放熱兼発電装置101の第1の流体として第1の流路151に導く排熱流路60と、放熱兼発電装置101の第1の流路151から出た流体を、冷却兼発電装置1の冷却用流体として流路5に戻すための戻し流路61と、これら排熱流路60および戻し流路61を通じて冷却兼発電装置1と放熱兼発電装置101との間で冷却用流体を循環させるポンプ62とをさらに備えている。ただし、戻し流路61やポンプ62を省略し、冷却用流体を循環させない構成としてもよい勿論よい。
[0041]
 以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施例に何ら限定されるものではなく、吸熱体2の外面に上記熱電変換素子3A,3B以外の放熱補助用の別途のヒートシンクフィン等の冷却器を併設したもの、たとえば熱電変換素子3A,3Bに続けて従来からのヒートシンクフィンをさらに並設し、流路5を貫通させたものなど、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

符号の説明

[0042]
 S 冷却兼発電システム
 1 冷却兼発電装置
 2 吸熱体
 3A,3B 熱電変換素子
 4 電極材
 5 流路
 9 冷却対象物
 20 当接面
 21 外面
 30 貫通孔
 31 基端部
 41、42 電極材
 50、52、53 チューブ
 51 シール部
 60 排熱流路
 61 流路
 62 ポンプ
 101 放熱兼発電装置
 103A,103B 熱電変換素子
 104 電極材
 130 貫通孔
 143 電極材
 144 電極材
 151 第1の流路
 152 第2の流路
 R、R1、R2 領域

請求の範囲

[請求項1]
 冷却対象物に当接される当接面を有し、該当接面を通じて冷却対象物の熱が伝達される金属製の吸熱体と、
 該吸熱体の外面上に、p型とn型とが交互に間隔をあけて並んで突設され、各々対向面に開口する複数の貫通孔を有する複数の熱電変換素子と、
 隣接する前記熱電変換素子同士を電気接続する電極材と、
 各熱電変換素子の前記貫通孔に冷却用流体を流通させる流路とを備え、
 前記吸熱体から熱が伝達された熱電変換素子を冷却用流体により冷却することで温度勾配を付与し、発電と同時に冷却器として機能する、冷却兼発電装置。
[請求項2]
 前記電極材が、隣接する各熱電変換素子の対面する貫通孔開口領域の内部又は近傍間に渡設される第1の電極材と、隣接する各熱電変換素子の吸熱体に突設している基端部又は近傍間に渡設される第2の電極材とよりなる請求項1記載の冷却兼発電装置。
[請求項3]
 請求項1又は2記載の冷却兼発電装置と、
 p型とn型とが交互に間隔をあけて並設され、各々対向面に開口する複数の貫通孔を有する複数の熱電変換素子、
 隣接する前記熱電変換素子同士を電気接続する電極材、
 各熱電変換素子における前記貫通孔が開口する両開口面に、それぞれ第1の流体を通過させる貫通孔が開口している第1の領域と、前記第1の流体よりも低温の第2の流体を通過させる貫通孔が開口しているか、或いは貫通孔が開口しておらず、前記第2の流体がその表面に沿って流れる第2の領域とを設定し、隣接する各熱電変換素子の対面する第1の領域間を連通させ、各熱電変換素子の前記第1の領域に対して第1の流体を順次供給する第1の流路、
 並びに、隣接する各熱電変換素子の対面する第2の領域間を連通させ、各熱電変換素子の前記第2の領域に対して第2の流体を順次供給する第2の流路を備え、前記第1の流体の熱を前記熱電変換素子を通じて第2の流体に排出することで温度勾配を付与し、発電と同時に第1の流体の放熱器として機能する、放熱兼発電装置と、
 前記冷却兼発電装置の前記流路から出た冷却用流体を、前記放熱兼発電装置の第1の流体として前記第1の流路に導く排熱流路と、
 を備える冷却兼発電システム。
[請求項4]
 前記放熱兼発電装置の第1の流路から出た流体を、前記冷却兼発電装置の冷却用流体として前記流路に戻すための戻し流路と、
 前記排熱流路および戻し流路を通じて前記冷却兼発電装置と放熱兼発電装置との間で冷却用流体を循環させるポンプと、
 をさらに備える請求項3記載の冷却兼発電システム。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]