JP2014116476A

JP2014116476A - 冷却加熱装置

Info

Publication number: JP2014116476A
Application number: JP2012269883A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Suzuki; 誉久鈴木
Original assignee: Sintokogio Ltd
Current assignee: Sintokogio Ltd
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-06-26

Abstract

【課題】熱電変換素子を用い、高い効率で雰囲気の冷却また加熱を行う冷却加熱装置を提供する。
【解決手段】冷却加熱装置１は、熱源Ｈに面して配置され発電を行う第１熱電変換素子１０と、第１熱電変換素子１０からの給電により冷却又は加熱を行う第２熱電変換素子２０と、第１熱電変換素子１０の熱源Ｈに面する表面１０ａと温度差を生じさせる温度差生成器３０と、を備えている。第２熱電変換素子２０は、冷却加熱装置１を冷却に用いる場合には第２熱電変換素子２０の外気に面する方の表面２０ａから吸熱するとともに温度差生成器３０へ放熱し、冷却加熱装置１を加熱に用いる場合には温度差生成器３０から吸熱するとともに第２熱電変換素子２０の外気に面する方の表面２０ａから外気へ放熱するように、第１熱電変換素子１０と電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換素子を用い、雰囲気の冷却また加熱を行う冷却加熱装置に関する。

従来より、ｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とを電気的に接合して形成した熱電変換素子のゼーベック効果、ペルチェ効果などの熱電効果を利用した熱電発電や冷却・加熱用のモジュールが提案されている。
例えば、特許文献１には、水冷式の回転電気機械に、第１の熱電素子と第２の熱電素子とを設け、第１の熱電素子で発生した電力を第２の熱電素子に供給して回転子近傍を冷却する技術が開示されている。
また、特許文献２には、電気熱変換を行う第１の熱電素子と熱電気変換を行う第２の熱電素子とを備えた基板に放熱構造を有する熱電変換モジュールが開示されている。

特開２００７−３３６６７０号公報特開２０１０−１１８４７５号公報

しかし、特許文献１に記載の技術では、固定子巻線からの発熱エネルギーを吸収するために用いられる冷却水により第１の熱電素子を冷却するため、第１の熱電素子の冷却が不十分であり、高い効率での発電を行うことは困難である。また、第２の熱電素子は冷却されていないため、冷却効率を高くすることができない補助的な冷却を行う構成であり、作業環境、雰囲気を高効率で冷却・加熱して、作業者や装置を保護する用途に適用することはできない。
特許文献２に記載の技術では、基板が備えた放熱構造は自然放熱によるもので積極的に冷却を行うものではないため、発電効率を高くすることが困難である。また、この熱電変換モジュールは基板に形成されるものであり、作業環境、雰囲気を高効率で冷却・加熱して、作業者や装置を保護する用途に適用することはできない。

そこで、本発明は、熱電変換素子を用い、高い効率で雰囲気の冷却また加熱を行う冷却加熱装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記目的を実現するために、請求項１に記載の発明では、熱源に面して配置され発電を行う第１の熱電変換素子と、前記第１の熱電変換素子からの給電により冷却又は加熱を行う第２の熱電変換素子と、前記第１の熱電変換素子及び前記第２の熱電変換素子を互いに離間して取付可能に構成され、前記第１の熱電変換素子の熱源に面する表面と温度差を生じさせる温度差生成器と、を備え、冷却または加熱を行う冷却加熱装置であって、前記第２の熱電変換素子は、当該冷却加熱装置を冷却に用いる場合には前記第２の熱電変換素子の外気に面する方の表面から吸熱するとともに前記温度差生成器へ放熱し、当該冷却加熱装置を加熱に用いる場合には前記温度差生成器から吸熱するとともに前記第２の熱電変換素子の外気に面する方の表面から外気へ放熱するように、前記第１の熱電変換素子と電気的に接続されている、という技術的手段を用いる。

請求項１に記載の発明によれば、温度差生成器を備えているため、第１の熱電変換素子の表面と裏面との温度差を大きくすることができ、発電効率を向上させることができる。また、第２の熱電変換素子は、第１の熱電変換素子から給電された電力により、第１の熱電変換素子との温度差が大きい状態に保たれている温度差生成器を基準に、更に冷却または加熱を行うことができるので、冷却または加熱効率を高めることができる。これにより、外部電源を用いることなく、効率的に熱源による高温または低温環境を緩和することができ、熱源近傍で作業を行う作業者の作業環境を改善したり、熱源近傍に設置された装置を保護したりすることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の冷却加熱装置において、前記温度差生成器は、前記第１の熱電変換素子及び前記第２の熱電変換素子が取り付けられる本体部に加熱又は冷却媒体を流通させて温度差を形成する、という技術的手段を用いる。

請求項２に記載の発明のように、温度差生成器が、第１の熱電変換素子及び第２の熱電変換素子が取り付けられる本体部に加熱又は冷却媒体を流通させて温度差を形成する構成を採用することができる。この構成によれば、温度差生成器の本体部の加熱又は冷却効率を高くすることができるので、第１の熱電変換素子の熱源に面する表面と大きな温度差を形成することができ好適である。

請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の冷却加熱装置において、前記第１の熱電変換素子及び／又は前記第２の熱電変換素子は、熱電材料としてＢｉ−Ｔｅ系材料を用いて構成されている、という技術的手段を用いる。

請求項３に記載の発明のように、第１の熱電変換素子及び／又は前記第２の熱電変換素子の熱電材料としてＢｉ−Ｔｅ系材料を用いると、室温付近での性能指数が高く好適である。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の冷却加熱装置において、前記第１の熱電変換素子の熱源に面する表面と、前記第２の熱電変換素子の外気に面する方の表面と、が反対方向に向くように配置されている、という技術的手段を用いる。

請求項４に記載の発明によれば、冷却加熱装置は、熱源と作業者や装置との間に配置して用いられ、熱源からの熱が冷却加熱装置により遮蔽されるため、作業者や装置をより効率的に熱源からの熱から保護することができる。

冷却加熱装置の構造を示す斜視説明図である。冷却加熱装置の構造を示す断面説明図である。冷却加熱装置の変更例を示す斜視説明図である。

本発明に係る冷却加熱装置について、図を参照して説明する。なお、図２において、リード配線１４、リード配線２４及び制御回路４０は断面構造ではない。

図１及び図２に示すように、本発明の冷却加熱装置１は、熱源Ｈに面して配置され発電を行う第１熱電変換素子１０と、第１熱電変換素子１０からの給電により冷却又は加熱を行う第２熱電変換素子２０と、第１熱電変換素子１０の熱源Ｈに面する表面１０ａと温度差を生じさせる温度差生成器３０と、を備えている。ここで、冷却加熱装置１を冷却装置として用いる場合の熱源Ｈは高温熱源ＨＨであり、例えば、鋳造設備や製鉄工場の製造設備などが挙げられる。また、加熱装置として用いる場合の熱源Ｈは低温熱源ＨＬであり、例えば、冷凍庫などの低温設備が挙げられる。冷却加熱装置１を使用する環境の温度範囲は、例えば、−２０〜５０℃である。

第１熱電変換素子１０は、ｎ型熱電材料１１とｐ型熱電材料１２とが交互に配置され、電極１３（表面１０ａ側の電極：電極１３ａ、温度差生成器３０側の電極：電極１３ｂ）
で交互に電気的に直列に接続された構造を有しており、直列接続の両端の熱電素子にリード配線１４を接続し、セラミックスなどの絶縁体からなる絶縁基板１５を電極１３を挟み込んで設けることにより構成されている。第１熱電変換素子１０は、発電素子として機能する平板状のモジュールとして形成されている。

ｎ型熱電材料１１及びｐ型熱電材料１２としては、テルル化合物、亜鉛アンチモン化合物、スクッテルダイト化合物、ホイスラー化合物、シリサイド系化合物、クラスレート化合物など、ｎ型半導体及びｐ型半導体となるように調整されたものが用いられる。特に、Ｂｉ_２Ｔｅ_３などのＢｉ−Ｔｅ系材料は室温付近での性能指数が高く、第１熱電変換素子１０の構成材料として好適に用いることができる。

第２熱電変換素子２０は、第１熱電変換素子１０同様に、ｎ型熱電材料２１とｐ型熱電材料２２とが交互に配置され、電極２３（表面２０ａ側の電極：電極２３ａ、温度差生成器３０側の電極：電極２３ｂ）で交互に電気的に直列に接続された構造を有しており、直列接続の両端の熱電素子にリード配線２４を接続し、セラミックスなどの絶縁体からなる絶縁基板２５を電極２３を挟み込んで設けることにより構成されている。第１熱電変換素子１０からの給電により温度差を生成させ冷却又は加熱を行うペルチェ素子として機能する平板状のモジュールとして形成されている。

ｎ型熱電材料２１及びｐ型熱電材料２２としては、第１熱電変換素子１０同様に、テルル化合物、亜鉛アンチモン化合物、スクッテルダイト化合物、ホイスラー化合物、シリサイド系化合物、クラスレート化合物など、ｎ型半導体及びｐ型半導体となるように調整されたものが用いられる。特に、Ｂｉ_２Ｔｅ_３などのＢｉ−Ｔｅ系材料は室温付近での性能指数が高く、ペルチェ素子で十分な実績があり、第２熱電変換素子２０の構成材料として好適に用いることができる。

温度差生成器３０は、第１熱電変換素子１０の熱源Ｈに面する表面１０ａの温度と温度差を生じさせるための部材である。温度差生成器３０は、水、油、圧縮空気などの加熱または冷却媒体が内部を流れる本体部３０ａと、本体部３０ａに加熱または冷却媒体を導入する流体入口３０ｂと、本体部３０ａから加熱または冷却媒体を排出する流体出口３０ｃと、を備えている。流体入口３０ｂ及び流体出口３０ｃは、例えば、工場内の冷却水配管に接続され、冷却水を本体部３０ａ内部に流すことができる。このような構成によれば、本体部３０ａの加熱又は冷却効率を高くすることができるので、第１熱電変換素子１０の表面１０ａと大きな温度差を形成することができ好適である。

温度差生成器３０の本体部３０ａには、第１熱電変換素子１０及び第２熱電変換素子２０が互いに離間して取り付けられている。ここで、第１熱電変換素子１０の熱源Ｈに面する面を表面１０ａ、表面１０ａに対向して温度差生成器３０に取り付けられる面を裏面１０ｂとする。また、第２熱電変換素子２０の外気に面する面を表面２０ａ、表面２０ａに対向して温度差生成器３０に取り付けられる面を裏面２０ｂとする。本実施形態では、第１熱電変換素子１０及び第２熱電変換素子２０は、表面１０ａと表面２０ａとが対向し、反対方向に向くように配置されている。また、本体部３０ａは、第１熱電変換素子１０の裏面１０ｂ及び第２熱電変換素子２０の裏面２０ｂがはみ出さない寸法に形成されている。温度差生成器３０は、例えば、幅７５０ｍｍ、高さ１５００ｍｍ、厚さ４０ｍｍ程度に形成される。第１熱電変換素子１０を構成するｎ型熱電材料１１、ｐ型熱電材料１２及び第２熱電変換素子２０を構成するｎ型熱電材料２１、ｐ型熱電材料２２は、それぞれこの温度差生成器３０の厚さ方向に対面して、例えば、幅４ｍｍ、高さ４ｍｍ、厚さ４ｍｍ程度に形成される。

第２熱電変換素子２０は、冷却加熱装置１を冷却に用いる場合には第２熱電変換素子２０の外気に面する方の表面２０ａから吸熱するとともに温度差生成器３０へ放熱し、冷却加熱装置１を加熱に用いる場合には温度差生成器３０から吸熱するとともに第２熱電変換素子２０の外気に面する方の表面２０ａから外気へ放熱するように、第１熱電変換素子１０と電気的に接続されている。

第１熱電変換素子１０から第２熱電変換素子２０へ給電する配線には、制御回路４０を設けることもできる。これによれば、第１熱電変換素子１０における発電状態が変動した場合にも、安定した加熱または冷却が可能である。

次に、冷却加熱装置１の使用方法について説明する。冷却加熱装置１は、第１熱電変換素子１０の表面１０ａが熱源Ｈに面し、第２熱電変換素子２０の表面２０ａが作業者や装置に面するように配置される。これにより、冷却加熱装置１は熱源Ｈと作業者や装置との間に配置され、熱源Ｈからの熱が冷却加熱装置１により遮蔽されるため、作業者や装置を、より効率的に熱源Ｈからの熱から保護することができる。ここで、温度差生成器３０は、例えば、工場内の冷却水配管に接続されており、温度差生成器３０の本体部３０ａの温度Ｔｓと第１熱電変換素子１０の表面１０ａの温度Ｔ１との間に温度差が生じるように作動している。

冷却加熱装置１を冷却装置として作動させる場合、つまり、第２熱電変換素子２０が冷却を行う場合には、温度差生成器３０は、Ｔｓ＜Ｔ１の関係が成り立つようにする。

第１熱電変換素子１０は、高温熱源ＨＨからの加熱により第１熱電変換素子１０の表面１０ａの温度がＴ１となると、温度が高い表面１０ａが加熱面、温度が低い裏面１０ｂが放熱面となり、表面１０ａの温度Ｔ１と本体部３０ａの温度Ｔｓとの温度差により発電する。このとき、電極１３ａではｎ型熱電材料１１からｐ型熱電材料１２に向かって直流電流が流れ、第２熱電変換素子２０に給電される。

第２熱電変換素子２０に給電された直流電流は、電極２３ａではｎ型熱電材料２１からｐ型熱電材料２２に向かって流れ、吸熱面が表面２０ａ、放熱面が裏面２０ｂとなる。これにより、第２熱電変換素子２０は表面２０ａから吸熱するとともに温度差生成器３０へ放熱するよう作動し、表面２０ａの温度Ｔ２がＴｓ＞Ｔ２となり第２熱電変換素子２０に面する雰囲気を冷却する。

上述したように、冷却加熱装置１は、温度差生成器３０を備えているため、第１熱電変換素子１０の裏面１０ｂから効率的に放熱することができるので、第１熱電変換素子１０の表面１０ａと裏面１０ｂとの温度差を大きくすることができ、発電効率を向上させることができる。また、第２熱電変換素子２０により、高温熱源ＨＨより低い温度Ｔｓに保たれている温度差生成器３０の本体部３０ａを基準に、更に冷却を行うことができるので、冷却効率を高めることができる。
これにより、外部電源を用いることなく、効率的に高温熱源ＨＨの排熱による高温環境を緩和することができ、高温熱源ＨＨ近傍で作業を行う作業者の作業環境を改善したり、高温熱源ＨＨ近傍に設置された装置を保護したりすることができる。

冷却加熱装置１を加熱装置として作動させる場合、つまり、第２熱電変換素子２０が加熱を行う場合には、温度差生成器３０は、Ｔｓ＞Ｔ１の関係が成り立つようにする。

低温熱源ＨＬからの伝熱により、第１熱電変換素子１０の表面１０ａの温度がＴ１となると、温度が低い表面１０ａが放熱面、温度が高い裏面１０ｂが加熱面となり、第１熱電変換素子１０は、表面１０ａの温度Ｔ１と本体部３０ａの温度Ｔｓとの温度差により発電する。このとき、電極１３ａではｐ型熱電材料１２からｎ型熱電材料１１に向かって直流電流が流れ、第２熱電変換素子２０に給電される。

第２熱電変換素子２０に給電された直流電流は、電極２３ａではｐ型熱電材料２２からｎ型熱電材料２１に向かって流れ、吸熱面が裏面２０ｂ、放熱面が表面２０ａとなる。これにより、第２熱電変換素子２０は表面２０ａから放熱するよう動作し、表面２０ａの温度Ｔ２がＴｓ＜Ｔ２となり第２熱電変換素子２０に面する雰囲気を加熱する。

上述したように、冷却加熱装置１は、温度差生成器３０を備えているため、第１熱電変換素子１０の表面１０ａと裏面１０ｂとの温度差を大きくすることができ、発電効率を向上させることができる。また、第２熱電変換素子２０により、低温熱源ＨＬより高い温度Ｔｓに保たれている温度差生成器３０の本体部３０ａを基準に、更に加熱を行うことができるので、加熱効率を高めることができる。これにより、外部電源を用いることなく、効率的に低温熱源ＨＬによる低温環境を緩和することができ、低温熱源ＨＬ近傍で作業を行う作業者の作業環境を改善したり、低温熱源ＨＬ近傍に設置された装置を保護したりすることができる。また、熱源Ｈに干渉することがなく、熱源Ｈで行われる工程に悪影響を及ぼすおそれがない。

また、冷却加熱装置１は、第１熱電変換素子１０、第２熱電変換素子２０及び温度差生成器３０が一体的に形成されているため、装置構成がコンパクトであるとともに、台車などに載置して可搬に構成することもできる。

（変更例）
上述した実施形態では、第１熱電変換素子１０及び第２熱電変換素子２０は、表面１０ａと表面２０ａとが対向し、反対方向に向くように配置されているが、これに限定されるものではなく、熱源Ｈと作業エリアの位置関係に応じて、適宜配置を変更することができる。例えば、図３に示すように、温度差生成器３０を屈曲形状に形成し、第１熱電変換素子１０と第２熱電変換素子２０とが平行でない配置を採用することができる。また、第１熱電変換素子１０及び第２熱電変換素子２０を温度差生成器３０の同一面に離間して配置することもできる。

第１熱電変換素子１０及び第２熱電変換素子２０は、平板状のモジュールに限定されるものではなく、各種形状のものを採用することができる。

温度差生成器３０は、本体部３０ａに加熱または冷却媒体を流す方式に限定されるものではない。例えば、本体部３０ａにパラフィンなど使用温度域で相転移を起こす物質を収容し、相転移により温度を一定に保つ構成の温度差生成器などを採用することができる。また、温度差生成器３０が温調器を備え、温度Ｔｓを制御することにより冷却または加熱効率を高めることができる構成を採用することもできる。

［実施形態の効果］
本発明の冷却加熱装置１によれば、温度差生成器３０を備えているため、第１熱電変換素子１０の表面１０ａと裏面１０ｂとの温度差を大きくすることができ、発電効率を向上させることができる。また、第２熱電変換素子２０は、第１熱電変換素子１０から給電された電力により、第１熱電変換素子１０との温度差が大きい状態に保たれている温度差生成器３０を基準に、更に冷却または加熱を行うことができるので、冷却または加熱効率を高めることができる。これにより、外部電源を用いることなく、効率的に熱源Ｈによる高温または低温環境を緩和することができ、熱源Ｈ近傍で作業を行う作業者の作業環境を改善したり、熱源Ｈ近傍に設置された装置を保護したりすることができる。

１…冷却加熱装置
１０…第１熱電変換素子（第１の熱電変換素子）
１０ａ…表面
１０ｂ…裏面
２０…第２熱電変換素子（第２の熱電変換素子）
２０ａ…表面
２０ｂ…裏面
３０…温度差生成器
３０ａ…本体部
３０ｂ…流体入口
３０ｃ…流体出口
４０…制御回路

Claims

熱源に面して配置され発電を行う第１の熱電変換素子と、
前記第１の熱電変換素子からの給電により冷却又は加熱を行う第２の熱電変換素子と、
前記第１の熱電変換素子及び前記第２の熱電変換素子を互いに離間して取付可能に構成され、前記第１の熱電変換素子の熱源に面する表面と温度差を生じさせる温度差生成器と、を備え、冷却または加熱を行う冷却加熱装置であって、
前記第２の熱電変換素子は、当該冷却加熱装置を冷却に用いる場合には前記第２の熱電変換素子の外気に面する方の表面から吸熱するとともに前記温度差生成器へ放熱し、当該冷却加熱装置を加熱に用いる場合には前記温度差生成器から吸熱するとともに前記第２の熱電変換素子の外気に面する方の表面から外気へ放熱するように、前記第１の熱電変換素子と電気的に接続されていることを特徴とする冷却加熱装置。
前記温度差生成器は、前記第１の熱電変換素子及び前記第２の熱電変換素子が取り付けられる本体部に加熱又は冷却媒体を流通させて温度差を形成することを特徴とする請求項１に記載の冷却加熱装置。
前記第１の熱電変換素子及び／又は前記第２の熱電変換素子は、熱電材料としてＢｉ−Ｔｅ系材料を用いて構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷却加熱装置。
前記第１の熱電変換素子の熱源に面する表面と、前記第２の熱電変換素子の外気に面する方の表面と、が反対方向に向くように配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の冷却加熱装置。