JPH11340522A

JPH11340522A - 熱電変換モジュールを用いた熱交換器

Info

Publication number: JPH11340522A
Application number: JP10141581A
Authority: JP
Inventors: Masaki Fujimoto; 雅樹藤本; Keigo Nagao; 圭吾長尾; Kazuhiro Fujii; 一宏藤井; Toshihide Sakurai; 俊秀桜井; Atsushi Nagai; 淳長井; Toshihiko Furue; 敏彦古江; Yukio Imaizumi; 幸男今泉; Toru Inoue; 亨井上
Original assignee: Kyushu Electric Power Co Inc; Ube Industries Ltd
Current assignee: Kyushu Electric Power Co Inc; Ube Corp
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 1999-12-10

Abstract

(57)【要約】【課題】耐熱性に優れると共に、熱交換量当たりのガ
スの圧損が少なく且つ１モジュール当たりの熱交換量が
大きく、また熱電変換モジュールと伝熱管との密着性に
優れ、コンパクトで、スケールアップが簡単な熱交換器
を提供すること。【解決手段】高温の流体の流通路２ａを有する高温流
体流通部２と、低温の流体の流通路３ａを有する低温流
体流通部３と、該両流体流通部の間に挟み込んだ熱電変
換モジュール４とからなり、上記高温の流体及び上記低
温の流体の少なくとも一方の流体としてガスを用いる熱
交換器１であって、少なくとも流体としてガスが供給さ
れる側の流体流通部を、複数の貫通孔からなるガス流通
路を有するブロック状体に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電変換モジュー
ルを用いて熱エネルギーを電力に直接変換する熱交換器
（熱発電装置）であって、熱源のガスが供給される伝熱
管として、複数の貫通孔を設けたブロック状体を用いる
ことにより、伝熱性と耐熱性の両方が改善された熱交換
器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】熱電変
換モジュールを用いた熱交換器は、通常、高温の流体が
供給される高温側伝熱管と、低温の流体が供給される低
温側伝熱管と、両伝熱管の間に挟み込んだ熱電変換モジ
ュールとから構成されている。また、熱源（高温の流
体）としては、ディーゼル、ガスエンジン、ガスタービ
ン、廃棄物発電などからの排ガス（約１００〜５００
℃）などが用いられている。また、熱源としてこのよう
なガスが供給される上記高温側伝熱管は、１モジュール
当たりの熱交換量及び熱流束を向上させるため、複数の
仕切板を用いて伝熱管内部を複数のガス流通路に区切っ
た構造としたり、或いは伝熱管内部にプレートフィンや
平行フィンを取付けることが行われている。

【０００３】これらの仕切板又はフィンが設けられた高
温側伝熱管は、フィン効果を得るために、引抜加工によ
り伝熱管本体と仕切板又はフィンとが一体的に製造され
ている。そのため、この高温側伝熱管の形成材料として
は、製作が容易で製作コストの安価なアルミニウムが使
用されている。しかし、アルミニウムは、熱伝導度が大
きく、フィン効率が良いため、コンパクトでガス（熱
源）の圧力損失（圧損）が少なく、コストの安価な熱交
換器を製作可能であるが、耐熱性が２００℃程度である
ので、このようなアルミニウム製の伝熱管を用いた熱交
換器は、使用する熱源が制限されるとの欠点がある。

【０００４】また、上記高温側伝熱管の形成材料として
は、アルミニウムの他に、ステンレス鋼なども使用され
ている。しかし、ステンレス鋼は、耐熱性を有するが、
熱伝導度が小さく（熱抵抗が大）、フィン効率が悪いた
め、装置が大きくなり、コストアップの要因となる。ま
た、ステンレス鋼を使用する場合は、引抜加工により伝
熱管本体と仕切板又はフィンとを一体的に製造すること
ができないので、伝熱管内部に仕切板又はフィンを取付
ける場合、溶接によって仕切板又はフィンを取付けるた
め、製作後の溶接歪みが発生し、溶接歪みを除去しても
ガスの温度が３００〜５００℃程度になった時点で歪み
が発生し、熱電変換モジュールと伝熱管との密着性が問
題となることがある。

【０００５】このように、熱交換器の性能（伝熱性、圧
損）及び製作コストなどを重視すれば、伝熱管の耐熱性
が不足し、耐熱性（４００〜５００℃程度）を重視すれ
ば、熱交換器の性能（伝熱性、圧損）及び製作コストな
どが満足しないのが現状である。また、伝熱管内部にプ
レートフィンや平行フィンを取付けた場合、熱交換量当
たりのガスの圧損が大きくなるため、ガスの昇圧ファン
が必要となる。また、発電プラントやゴミ焼却施設など
の大規模な廃熱を熱源とする場合にも容易に適用が可能
なように、１モジュール当たりの熱交換量が大きく、ス
ケールアップが簡単な熱交換器が望まれている。

【０００６】従って、本発明の目的は、耐熱性に優れる
と共に、熱交換量当たりのガスの圧損が少なく且つ１モ
ジュール当たりの熱交換量が大きく、また熱電変換モジ
ュールと伝熱管との密着性に優れ、コンパクトで、スケ
ールアップが簡単な熱交換器を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、高温の流体の
流通路を有する高温流体流通部と、低温の流体の流通路
を有する低温流体流通部と、該両流体流通部の間に挟み
込んだ熱電変換モジュールとからなり、上記高温の流体
及び上記低温の流体の少なくとも一方の流体としてガス
を用いる熱交換器であって、少なくとも流体としてガス
が供給される側の流体流通部が、複数の貫通孔からなる
ガス流通路を有するブロック状体である、熱交換器を提
供することにより、上記目的を達成したものである。

【０００８】

【作用】本発明の熱交換器は、複数の貫通孔からなるガ
ス流通路を有するブロック状体の流体流通部全体がフィ
ンとして作用するため、大きな伝熱効果が得られると共
に、該流体流通部がブロック状体であるため、ガス熱に
よる該流体流通部の変形（熱歪み）が少ない。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の熱交換器を図面に
示す実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明の熱
交換器の一実施形態の概略を示す全体構成側面図であ
り、図２は、図１におけるＡ−Ａ線側面図であり、図３
は、図１におけるＢ−Ｂ線平面図であり、図４は、図１
に示す実施形態で用いた低温流体流通部の平面断面図で
あり、図５は、図１に示す実施形態で用いた高温流体流
通部の一部の拡大断面図であり、図６は、熱電変換モジ
ュールの取付構造例を示す模式断面図であり、図７は、
本発明の熱交換器のスケールアップの一例の概略を示す
全体構成側面図であり、図８は、図７におけるＡ−Ａ線
側面図であり、図９は、図７におけるＢ−Ｂ線平面図で
ある。

【００１０】図１〜５に示す実施形態の熱交換器１は、
図１に示すように、高温の流体（ガス）の流通路２ａを
有する高温流体流通部（高温側伝熱管）２と、該高温流
体流通部２の相対する両面（上面及び下面）に設けた、
低温の流体の流通路３ａを有する低温流体流通部（低温
側伝熱管）３，３と、これらの流体流通部２及び３間に
それぞれ挟み込まれた熱電変換モジュール４，４とを備
えている。

【００１１】そして、流体として熱源のガスが供給され
る上記高温流体流通部（高温側伝熱管）２は、図２に示
すように、中実一体構造のクロム銅合金などの非鉄金属
のブロック体に多数（本実施形態では４３本）の断面円
形状のガス流通路２ａが互いに平行に両端面を貫通する
ように、ドリル加工などにより穿設されて形成され、結
果として該ガス流通路２ａと熱電変換モジュール４との
接触面との間が中実一体構造のブロック状体に形成され
ている。上記ガス流通路（貫通孔）２ａは、径が１０〜
２５ｍｍ、特に１５〜２０ｍｍで、全貫通孔の断面積の
合計が、高温流体流通部２の断面積（含貫通孔の断面
積）に対し３０〜５０％、特に３５〜４０％であること
が好ましい。また、該ブロック状体の両端面は、フラン
ジ２１構造になっており、また熱電変換モジュール４と
の接触面は、該モジュール４と均等圧力で接触するよう
に機械加工などにより平面度が付与されている。また、
上記フランジ２１は、機械加工（削り出し）により高温
流体流通部（高温側伝熱管）２と一体状に形成され、配
管が容易にできるようになっている。

【００１２】また、上記低温流体流通部（低温側伝熱
管）３は、図４に示すように、中実一体構造の純銅など
の非鉄金属のブロック体に、複数本（本実施形態では２
本）の平面断面略Ｕ字形状の低温の流体の流通路３ａを
ドリル加工などにより穿設して形成し、結果として該低
温の流体の流通路３ａと熱電変換モジュール４との接触
面との間が中実一体構造のブロック状体に形成されてい
る。また、該ブロック状体の低温流体流通部３の熱電変
換モジュール４との接触面は、該モジュール４と均等圧
力で接触するように機械加工などにより平面度が付与さ
れている。また、上記低温流体流通部３は、図１に示す
ように、流通路３ａを流れる低温の流体の流れ方向が、
高温の流体の流れ方向（矢標方向）に対して直角になる
ように取付けてある。

【００１３】また、図２及び図３に示すように、上記低
温流体流通部（低温側伝熱管）３，３にはそれぞれ、熱
電変換モジュール４，４に均等な面圧（５〜１０ｋｇ／
ｃｍ ²程度）が加えられるように、複数の均圧板５、圧
縮コイルばね６、押え板１０、スタッドボルト１１、座
金７，１２、締付けナット８，１３、及びロックナット
９，１４が取り付けてある。上記複数の均圧板５は、両
側のスタッドボルト１１、座金１２、締付けナット１
３、及びロックナット１４を介して、押え板１０により
圧縮コイルばね６を押圧し、座金７、締付けナット８、
及びロックナット９によって熱電変換モジュール４に均
等な面圧が加わるように取付けられている。また、上記
均圧板５は、図２及び図３に示すように、１枚の熱電変
換モジュール４に対して２枚取り付けられている。

【００１４】また、上記熱電変換モジュール４は、図１
及び図２に示すように、高温流体流通部（高温側伝熱
管）２の上下に各１枚取り付けられており、また、図６
に示すように、両面を伝熱グリース１６／絶縁板１５／
伝熱グリース１６の３層で被覆して、上記高温流体流通
部（高温側伝熱管）２と上記低温流体流通部（低温側伝
熱管）３との間に挟み込んである。尚、図面において、
２ｂは高温の流体の入口、２ｃは高温の流体の出口、３
ｂは低温の流体の入口、３ｃは低温の流体の出口、３１
は沈みプラグである。

【００１５】次に、本実施形態の熱交換器１の動作につ
いて説明する。本実施形態の熱交換器１を使用するに際
しては、図１に示すように、高温流体流通部（高温側伝
熱管）２の流通路２ａ内に流体としてガスを矢標方向に
流すと共に、図４に示すように、低温流体流通部（低温
側伝熱管）３の流通路３ａ内に流体を矢標方向（高温の
流体の流れ方向に対し直角）に流す。そして、高温の流
体と低温の流体との温度差により、熱電変換モジュール
４において、ゼーベック効果による熱起電力が発生する
が、この際、ガスの熱エネルギーが、高温側流体流通部
（高温側伝熱管）２の流通路２ａ内の中心から、上下方
向の接触面へと流れる過程において、高温流体流通部
（高温側伝熱管）２の全体がフィン効果を持って、上記
熱エネルギーを熱電変換モジュール４に伝えるので、大
きな伝熱効果が得られる。即ち、図５において、上下そ
れぞれ三角ピッチ配列にある３つのガス流通路について
は、実線斜線で示す中実部分Ｘ，Ｙがフィンと同等の効
果を発揮する。この点について以下に更に詳しく説明す
る。

【００１６】図５に示すように、高温流体流通部２の上
下に熱電変換モジュール４を介して低温流体流通部３が
取り付けてあるため、高温流体流通部２の流通路２ａ内
を流れるガスの熱エネルギーは、矢標の如く、高温流体
流通部２の中央線（一点鎖線で示す）から上半分の熱エ
ネルギーが中実部分Ｘを通して上方向に流れ、下半分の
熱エネルギーが中実部分Ｙを通して下方向に流れる。上
方向に流れる熱エネルギーは、二点鎖線で示す上接触面
２ｄと流通路２ａの円形頂部との間の端部中実部分Ｗ１
を通して上側の熱電変換モジュール４へと流れ、同様に
下方向に流れる熱エネルギーは、下接触面２ｅと流通路
２ａの円形底部との間の端部中実部分Ｗ２を通して下側
の熱電変換モジュール４へと流れる。従って、中実部分
Ｘは上側端部中実部分Ｗ１に取り付けたフィンの効果を
発揮し、また中実部分Ｙは下側端部中実部分Ｗ２に取り
付けたフィンの効果を発揮する。また、このフィン効果
は、高温流体流通部２を、低炭素純ニッケルやクロム銅
合金などの耐熱性を有し且つ高熱伝導度の非鉄金属から
形成した場合に顕著に発揮され、例えば、高温流体流通
部２の材質をクロム銅合金とした場合、高熱伝導度（約
３００ｗ／ｍ℃）を有し、熱抵抗が小さく上記フィン効
果が極めて良好に発揮されると共に、高耐熱性（４００
〜５００℃）を有し、熱歪みの問題もなく、熱電変換モ
ジュール４の密着性が良好に保たれる。

【００１７】尚、上記高温の流体のガスとしては、例え
ば、ディーゼル、ガスエンジン、ガスタービン、廃棄物
発電などからの排ガス（約１００〜５００℃）が用いら
れ（本実施形態では３７０℃のガスを用いた）、また、
上記低温の流体としては、冷却水（約２０℃）、海水
（約２０℃）、温水（約５０〜８０℃）などが用いられ
る（本実施形態では２０℃の冷却水を用いた）。

【００１８】本実施形態の熱交換器は、高温流体流通部
２及び低温流体流通部３が中実一体構造のブロック体に
断面円形状の流体流通路をドリル加工などにより容易に
形成できるので、流体流通部（伝熱管）の加工性が良
く、また、全体がブロック状体にコンパクトに形成され
るので熱電変換モジュールをサンドイッチ状に挟み込ん
で組み込むことにより組立も容易である。また、ブロッ
ク状体であるので剛性を有し、温度変化に対しても変形
せず、熱電変換モジュールとの接触が均一に行われ、高
密度の熱流束が付与される。また、高温及び低温流体流
通部（伝熱管）２及び３はブロック状体であることによ
り、例えば、複数の本実施形態の熱交換器を、ブロック
状体である高温流体流通部２をそのフランジ２１同士を
結合させて前後方向（高温のガスの流れ方向）に連結す
ることにより、スケールアップが容易に行える。さら
に、図７、図８及び図９に示すように、該高温流体流通
部２の熱電変換モジュール４の取り付け方向側（上下方
向）にもモジュール４を介して低温流体流通部３を順次
結合させていくことにより、同様にスケールアップが行
える。

【００１９】本発明は、上記実施形態に何ら制限される
ものではなく、例えば、ガス流通路２ａである貫通孔の
配列は、三角ピッチの他、四角ピッチや、ひし形ピッチ
などでも良く、また、一つの高温流体流通部（高温側伝
熱管）２に対して、上下複数の熱電変換モジュール４を
用いても良く、また、高温流体流通部（高温側伝熱管）
２と低温流体流通部（低温側伝熱管）３を交互に数段重
ねても良い。要は、ガスが供給される側の流体流通部
（伝熱管）が、複数の貫通孔からなるガス流通路を有す
るブロック状体であれば良く、本発明の要旨に反しない
限り適宜に設計変更可能なことは言う迄もない。

【００２０】

【発明の効果】本発明の熱交換器は、耐熱性に優れると
共に、熱交換量当たりのガスの圧損が少なく且つ１モジ
ュール当たりの熱交換量が大きく、また熱電変換モジュ
ールと伝熱管との密着性に優れ、コンパクトで、スケー
ルアップが簡単なものである。即ち、本発明の熱交換器
によれば、次のような効果が奏される。（１）ガス流通路が貫通孔であるため、ガスの圧損が少
ないので、ガスの昇圧ファンが不要である。特に、貫通
孔が断面円形状に形成されている場合（請求項２）、ガ
スの圧損が少ない。（２）伝熱面においては、複数の貫通孔からなるガス流
通路を有するブロック状体の流体流通部全体がフィン効
果を持って、ガスの熱エネルギーを有効に熱電変換モジ
ュールに伝えるので、大きな伝熱効果が得られる。（３）熱交換器の系列を増加させることにより、スケー
ルアップが簡単にでき、コンパクトな熱交換器ができ
る。（４）高温流体流通部（高温側伝熱管）の材料として、
低炭素純ニッケル又はクロム銅合金などの耐熱性を有し
且つ高熱伝導度の非鉄金属を使用すること（請求項４及
び５）により、熱抵抗を小さくし、フィン効果及び境膜
伝熱係数を向上でき、その結果、一層、熱交換器を小さ
くできるので、コスト面で有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の熱交換器の一実施形態の概略
を示す全体構成側面図である。

【図２】図２は、図１におけるＡ−Ａ線側面図である。

【図３】図３は、図１におけるＢ−Ｂ線平面図である。

【図４】図４は、図１に示す実施形態で用いた低温流体
流通部の平面断面図である。

【図５】図５は、図１に示す実施形態で用いた高温流体
流通部の一部の拡大断面図である。

【図６】図６は、熱電変換モジュールの取付構造例を示
す模式断面図である。

【図７】図７は、本発明の熱交換器のスケールアップの
一例の概略を示す全体構成側面図である。

【図８】図８は、図７におけるＡ−Ａ線側面図である。

【図９】図９は、図７におけるＢ−Ｂ線平面図である。

【符号の説明】

１熱交換器２高温流体流通部２ａ高温の流体の流通路（ガス流通路）２１フランジ３低温流体流通部３ａ低温の流体の流通路４熱電変換モジュール５均圧板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤井一宏山口県宇部市大字小串1978番地の５宇部興産株式会社宇部研究所内 (72)発明者桜井俊秀山口県宇部市大字小串1978番地の５宇部興産株式会社宇部研究所内 (72)発明者長井淳山口県宇部市大字小串1978番地の５宇部興産株式会社宇部研究所内 (72)発明者古江敏彦福岡県福岡市中央区渡辺通二丁目１番82号九州電力株式会社内 (72)発明者今泉幸男福岡県福岡市中央区渡辺通二丁目１番82号九州電力株式会社内 (72)発明者井上亨福岡県福岡市中央区渡辺通二丁目１番82号九州電力株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高温の流体の流通路を有する高温流体流
通部と、低温の流体の流通路を有する低温流体流通部
と、該両流体流通部の間に挟み込んだ熱電変換モジュー
ルとからなり、上記高温の流体及び上記低温の流体の少
なくとも一方の流体としてガスを用いる熱交換器であっ
て、少なくとも流体としてガスが供給される側の流体流
通部が、複数の貫通孔からなるガス流通路を有するブロ
ック状体である、熱交換器。
【請求項２】上記複数の貫通孔が、互いにほぼ平行に
設けられ且つ断面円形状に形成されている、請求項１記
載の熱交換器。
【請求項３】上記高温流体流通部が、上記ブロック状
体であり、該ブロック状体の上記貫通孔と平行方向で相
対する両面に上記熱電変換モジュールを介して上記低温
流体流通部を設けた、請求項１又２記載の熱交換器。
【請求項４】上記ブロック状体が、耐熱性を有し且つ
高熱伝導度の非鉄金属から形成されたものである、請求
項１〜３の何れかに記載の熱交換器。
【請求項５】上記非鉄金属が、低炭素純ニッケル又ク
ロム銅合金である、請求項４記載の熱交換器。