高效率熱電轉(zhuǎn)換裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有高轉(zhuǎn)換效率的熱電轉(zhuǎn)換裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱電轉(zhuǎn)換模塊可以將熱能轉(zhuǎn)換成電能，因此能夠期待可從工業(yè)未利用的排熱、汽 車排熱、溫泉等進行發(fā)電的發(fā)電機。熱電轉(zhuǎn)換裝置是由單個或多個熱電轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成的發(fā) 電機，包括用于向熱電轉(zhuǎn)換模塊給予溫度差的熱源、冷卻源等附帶設(shè)備。例如在專利文獻1 中公開了熱電轉(zhuǎn)換裝置。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0004] 專利文獻
[0005] 專利文獻1 :日本特開2010-278460號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明要解決的問題
[0007] 作為發(fā)明人等探討的結(jié)果，做出了如下的判斷：在以往的熱電轉(zhuǎn)換裝置中，對于熱 源和冷卻源的溫度、流量等環(huán)境條件沒有進行能夠使單元的輸出最大化的熱電轉(zhuǎn)換模塊的 配置、構(gòu)成熱電轉(zhuǎn)換模塊的熱電轉(zhuǎn)換材料的尺寸等的最優(yōu)化，存在大的熱和電的損失。
[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種即使在熱源的溫度在熱電轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)變化，構(gòu)成該熱電 轉(zhuǎn)換裝置的多個熱電轉(zhuǎn)換模塊中的熱源與冷卻源的溫度差分別不同的情況下，也能夠進行 熱電轉(zhuǎn)換效率高的發(fā)電的熱電轉(zhuǎn)換裝置。
[0009] 用于解決問題的手段
[0010] 作為用于實現(xiàn)上述目的的一實施方式，一種熱電轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，具備：多 個熱電轉(zhuǎn)換模塊，其由通過用于取出電力的電極而連接的n型熱電轉(zhuǎn)換材料和p型熱電轉(zhuǎn) 換材料的多個對構(gòu)成；
[0011] 供給單元，其被設(shè)置在所述熱電轉(zhuǎn)換模塊的所述n型熱電轉(zhuǎn)換材料和所述p型熱 電轉(zhuǎn)換材料的厚度方向的上下表面，分別提供用于向所述熱電轉(zhuǎn)換模塊賦予溫度差，通過 所述熱電轉(zhuǎn)換材料的塞貝克效應(yīng)進行發(fā)電的熱源和冷卻源，
[0012] 將多個所述熱電轉(zhuǎn)換模塊并聯(lián)連接，
[0013] 相鄰的所述熱電轉(zhuǎn)換模塊中的一方或多個所述熱電轉(zhuǎn)換模塊中的至少一個熱電 轉(zhuǎn)換模塊的所述熱電轉(zhuǎn)換材料的厚度、材料種類以及所述電極的厚度中的至少一個與其他 的熱電轉(zhuǎn)換模塊不同。
[0014] 此外，一種熱電轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，具有：多個熱電轉(zhuǎn)換模塊，其由通過用于取 出電力的電極而連接的n型熱電轉(zhuǎn)換材料和p型熱電轉(zhuǎn)換材料的多個對構(gòu)成；
[0015] 供給單元，其被設(shè)置在所述熱電轉(zhuǎn)換模塊的所述n型熱電轉(zhuǎn)換材料和所述p型熱 電轉(zhuǎn)換材料的厚度方向的上下表面，并分別提供用于向所述熱電轉(zhuǎn)換模塊賦予溫度差，通 過所述熱電轉(zhuǎn)換材料的塞貝克效應(yīng)進行發(fā)電的熱源和冷卻源，
[0016] 將多個所述熱電轉(zhuǎn)換模塊并聯(lián)連接，
[0017] 相鄰的所述熱電轉(zhuǎn)換模塊中的一方或多個所述熱電轉(zhuǎn)換模塊中的至少一個熱電 轉(zhuǎn)換模塊的所述熱電轉(zhuǎn)換材料的厚度、材料種類以及所述電極的厚度中的至少一個與其他 的熱電轉(zhuǎn)換模塊不同，
[0018] 在將熱源溫度設(shè)為Th，將冷卻源溫度設(shè)為T。，將熱電轉(zhuǎn)換材料的導(dǎo)熱率設(shè)為k， 將熱電轉(zhuǎn)換材料的材料性能常數(shù)設(shè)為m。，將熱源的傳熱率設(shè)為ah，將冷卻源的傳熱率設(shè)為 a。，將溫水和冷水的流速設(shè)為V，將熱源和冷卻源的溫度相關(guān)特有的常數(shù)分別設(shè)為Ah、A。的 情況下，通過ah=Ahv、a。=Aj來進行表示，
[0019] 關(guān)于所述熱電轉(zhuǎn)換材料的厚度t，選擇滿足下式的厚度t，
[0020] 500ff/m2^ [ (T h- T c) 2/{(1/a h) + (t/k ) + (1/a c)}]
[0021]X[ (m。一 1V{m。(Th+273) + (Tc+273)}]。
[0022] 發(fā)明效果
[0023] 根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種即使在熱源的溫度在熱電轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)變化，構(gòu)成該熱 電轉(zhuǎn)換裝置的多個熱電轉(zhuǎn)換模塊中的熱源與冷卻源的溫度差分別不同的情況下，也能夠進 行熱電轉(zhuǎn)換效率高的發(fā)電的熱電轉(zhuǎn)換裝置。
【附圖說明】
[0024]圖1是表示本發(fā)明的第1實施例的熱電轉(zhuǎn)換裝置所使用的熱電轉(zhuǎn)換模塊的構(gòu)成 例的示意圖，中央上圖為俯視圖，中央中圖為A'B'線的截面圖，中央下圖為仰視圖，右圖為 C'D'線的截面圖，左圖為E'F'線的截面圖。
[0025]圖2是表示本發(fā)明的第1實施例的熱電轉(zhuǎn)換裝置所使用的其他的熱電轉(zhuǎn)換模塊的 構(gòu)成例的示意圖，中央上圖為俯視圖，中央中圖為A'B'線截面圖，中央下圖為仰視圖，右圖 為C'D'線截面圖，左圖為E'F'線截面圖。
[0026]圖3是表示本發(fā)明的第1實施例的熱電轉(zhuǎn)換裝置所使用的其他的熱電轉(zhuǎn)換模塊的 構(gòu)成例的示意圖，中央上圖為俯視圖，中央中圖為A'B'線截面圖，中央下圖為仰視圖，右圖 為C'D'線截面圖，左圖為E'F'線截面圖。
[0027]圖4是表示本發(fā)明的第1實施例的熱電轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)例的示意圖，右上圖為主 視圖，右下圖為俯視圖，左圖為側(cè)視圖。
[0028]圖5是表示本發(fā)明的第1實施例的其他熱電轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)例的示意圖，右上圖 為俯視圖，右下圖為A'B'線截面圖，左圖為C'D'線截面圖。
[0029]圖6是表示本發(fā)明的第2實施例的熱電轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)例的示意圖，右上圖為俯 視圖，右下圖為A'B'線截面圖，左圖為C'D'線截面圖。
[0030] 圖7是表示本發(fā)明的第2實施例的其他熱電轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)例的示意圖，右上圖 為俯視圖，右下圖為A'B'線截面圖，左圖為C'D'線截面圖。
[0031] 圖8是表示本發(fā)明的第3實施例的熱電轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)例的示意圖，右上圖為俯 視圖，右下圖為A'B'線截面圖，左圖為C'D'線截面圖。
[0032]圖9是表示本發(fā)明的第3實施例的其他熱電轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)例的示意圖，右上圖 為俯視圖，右下圖為A'B'線截面圖，左圖為C'D'線截面圖。
[0033] 圖10(a)是表示本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)例的示意圖，右上圖是主視圖，右 下圖是俯視圖，左圖是側(cè)視圖，圖10(b)是本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換裝置的制造流程圖。
[0034]圖11是表示使本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換裝置中的熱源溫度變化時的輸出密度的熱電轉(zhuǎn) 換材料的厚度相關(guān)性的數(shù)據(jù)，（a)是熱電轉(zhuǎn)換材料的導(dǎo)熱率為10W/mK的情況，（b)是熱電轉(zhuǎn) 換材料的導(dǎo)熱率為5W/mK的情況，（c)是熱電轉(zhuǎn)換材料的導(dǎo)熱率為2. 5W/mK的情況，（d)是 熱電轉(zhuǎn)換材料的導(dǎo)熱率為lW/mK的情況，（e)是熱電轉(zhuǎn)換材料的導(dǎo)熱率為0. 5W/mK的情況， (f)是熱電轉(zhuǎn)換材料的導(dǎo)熱率為〇.lW/mK的情況。
[0035] 圖12是用于說明在本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換裝置，將熱電轉(zhuǎn)換模塊的高度設(shè)為恒定時 的熱電轉(zhuǎn)換材料、上部電極以及下部電極的各高度的分配的示意圖，（a)是熱電轉(zhuǎn)換材料高 的情況，（b)是按照熱電轉(zhuǎn)換材料低的量將上部電極提高的情況，（c)是按照熱電轉(zhuǎn)換材料 低的量將下部電極提高的情況，（d)是按照熱電轉(zhuǎn)換材料低的量將上部電極和下部電極均 等地提尚的情況。
【具體實施方式】
[0036] 發(fā)明人等在具備多個相同結(jié)構(gòu)的熱電轉(zhuǎn)換模塊的熱電轉(zhuǎn)換裝置中，為了有效地將 熱源的溫度用于發(fā)電，延長了液媒配管。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)到例如在配管入口為90°C，而在配管出 口溫度下降至40°C程度，隨著從入口開始的距離變大熱源與冷卻源之間的溫度差變小，在 產(chǎn)生了這樣的溫度差下降的情況下，在相同結(jié)構(gòu)的熱電轉(zhuǎn)換模塊中，在各個溫度差未必能 夠得到高的熱電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明基于這樣的新的發(fā)現(xiàn)，具有在熱電轉(zhuǎn)換裝置中在各溫度 差各熱電轉(zhuǎn)換模塊的熱電轉(zhuǎn)換效率變得均勻的結(jié)構(gòu)。具體而言，在各熱電轉(zhuǎn)換模塊中熱電 轉(zhuǎn)換材料的厚度不同。
[0037] 為了在熱電轉(zhuǎn)換裝置最大限度地得到輸出，使用圖10(a)敘述用于構(gòu)成熱電轉(zhuǎn)換 裝置的各個熱電轉(zhuǎn)換模塊1~3(M1、M2、M3、……、Mn-l、Mn)的尺寸的選定方法。圖10(a) 表示熱電轉(zhuǎn)換裝置，右上圖為平面圖，右下圖為A'B'線的截面圖，左圖為C'D'線的截面圖。 符號201表示作為熱源的溫水流過的溫水配管，符號202表示作為冷卻源的冷水流過的冷 水配管，符號301表示隔熱材料，黑箭頭表示溫水流動的方向，灰色箭頭表示冷水流動的方 向。在圖10(a)的右下圖所示的熱電轉(zhuǎn)換裝置中，因為將熱電轉(zhuǎn)換模塊乂設(shè)置在與溫水輸 入口以及冷水出口最近的位置，因此向熱電轉(zhuǎn)換模塊賦予的溫度差在該熱電轉(zhuǎn)換裝置中成 為最大。并且，沿著溫水的