(57)【要約】【課題】熱交換器の高温流体流路と発電モジュール間の熱伝導性を確保しつつ、発電モジュールの高温側を均熱化して高効率で発電させることができる熱電発電熱交換器を提供する。【解決手段】熱電発電熱交換器１０は、発電モジュール１６の高温側表面１６Ａと高温流体流路１４との間に配置される伝熱シート１８を備える。伝熱シート１８は、中央部１８Ａと、この中央部１８Ａの高温流体流路１４側及び低温流体流路１５側にそれぞれ密着して配置される一対の表面部１８Ｂとが積層して形成される。表面部１８Ｂの弾性は中央部１８Ａより高く、中央部１８Ａの面方向への熱伝導性λは表面部１８Ｂより高い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温流体が流れる高温流体流路（１４）と、
前記高温流体よりも温度の低い低温流体が流れる低温流体流路（１５）と、
前記高温流体流路と前記低温流体流路との間に配置され、前記高温流体から前記低温流体へ伝達される熱により発電する発電モジュール（１６）と、
前記発電モジュールの高温側表面（１６Ａ）と前記高温流体流路との間に配置される伝熱シート（１８）と、
を備え、
前記伝熱シートは、中央部（１８Ａ）と、前記中央部の前記高温流体流路側及び前記低温流体流路側にそれぞれ密着して配置される一対の表面部（１８Ｂ）とが積層して形成され、
前記表面部の弾性は前記中央部より高く、
前記中央部の面方向への熱伝導性（λ）は前記表面部より高い、
熱電発電熱交換器（１０）。
【請求項２】
前記伝熱シートの前記中央部は複数枚が積層して形成される、
請求項１に記載の熱電発電熱交換器。
【請求項３】
前記伝熱シートの前記中央部及び前記表面部は、共に４〜５００℃の耐熱性をもつ耐熱性材料で形成される、請求項１または２に記載の熱電発電熱交換器。
【請求項４】
前記伝熱シートの前記中央部は人造グラファイトで形成され、
前記伝熱シートの前記表面部は天然グラファイトで形成される、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電発電熱交換器。
【請求項５】
前記伝熱シートの前記表面部の合計厚み（ｔ）は１ｍｍ以上であり、密度（ρ）は１ｇ／ｃｃ以下であり、面方向熱伝導率（λ）が１５０Ｗ／ｍＫ以上である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電発電熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、熱電発電熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱交換器の高温流体と低温流体との間の熱交換を利用して、高温流体から低温流体へ伝達される熱により発電モジュールを発電させて電力を得る熱電発電装置（以降では「熱電発電熱交換器」ともいう）が知られている。
【０００３】
このような熱電発電装置では、熱交換過程において高温流体から収熱されるため高温流体の上流側から下流側にかけて高温流体の温度が低下する。この高温流体の流れ方向の温度低下に伴い、素子高温端温度（発電モジュールの各素子の高温側表面の温度）も高温流体の流れ方向の下流側に進むにつれて低下する。つまり、発電モジュールの高温側と低温側の温度差ΔＴが縮小する。この温度差ΔＴは、熱電変換効率ηに大きく関係するため、温度差ΔＴの縮小量が大きいほど、高温流体の上流側から下流側に進むにつれて熱電変換効率ηの低下度合いも大きくなり、高効率な発電ができなくなる。
【０００４】
このような問題を解決するため、高温流体流路と発電モジュールとの間に、面方向への熱伝導性に優れる特性をもつ伝熱シートを介在させて、高温流体から収熱した熱を流れ方向に亘って均熱化させる手法が広く提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１２７６１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載されるような従来手法では、伝熱シートの特性を実現するために例えば人造グラファイトなどの面方向伝熱性に優れる材料が用いられている。しかし、このような面方向に熱伝導が高い材料は、一般的に密度も高く固い特性も併せ持つ。このため、発電モジュールの高温側と低温側の温度差ΔＴの縮小を抑制すべく面方向伝熱性に優れる伝熱シートを適用した場合であっても、高温流体流路と発電モジュールとの間の密着性が劣りこれにより熱伝導性も劣って収熱効率が低下してしまい、高性能発電を実現させることが困難である。
【０００７】
本開示は、熱交換器の高温流体流路と発電モジュール間の熱伝導性を確保しつつ、発電モジュールの高温側を均熱化して高効率で発電させることができる熱電発電熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、高温流体が流れる高温流体流路（１４）と、低温流体が流れる低温流体流路（１５）と、前記高温流体流路と前記低温流体流路との間に配置され、前記高温流体から前記低温流体へ伝達される熱により発電する発電モジュール（１６）と、前記発電モジュールの高温側表面（１６Ａ）と前記高温流体流路との間に配置される伝熱シート（１８）と、を備え、前記伝熱シートは、中央部（１８Ａ）と、前記中央部の前記高温流体流路側及び前記低温流体流路側にそれぞれ密着して配置される一対の表面部（１８Ｂ）とが積層して形成され、前記表面部の弾性は前記中央部より高く、前記中央部の面方向への熱伝導性（λ）は前記表面部より高い、熱電発電熱交換器（１０）である。
【０００９】
この構成により、伝熱シートの表面部で熱交換器や発電モジュールの接触面の平面度（凹凸）を十分に吸収することができるため、密着性が良好となり、高温流体から収熱した熱を効率よく発電モジュールに伝えることができる。一方、伝熱シートの中央部は面方向に高い熱伝導性を有していることで、表面部から収熱した熱をヒートスプレッドさせ、均熱化させることができる。したがって、本開示の熱電発電熱交換器は、高い収熱効率を維持して熱交換器の高温流体流路と発電モジュール間の熱伝導性を確保しつつ、発電モジュールの高温側を均熱化して高効率で発電させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、熱交換器の高温流体流路と発電モジュール間の熱伝導性を確保しつつ、発電モジュールの高温側を均熱化して高効率で発電させることができる熱電発電熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施形態に係る熱電発電熱交換器の主要部の構成を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示す熱電発電熱交換器を矢印Ａの方向から視た側面図である。
【図３】図３は、図２に示す伝熱シートを含む領域Ｂの拡大図であり、伝熱シートの概略構成を模式的に示す図である。
【図４】図４は、伝熱シートの材料の密度と、面方向熱伝導率及び平面度吸収代との関係を示す図である。
【図５】図５は、発電モジュールの高温側表面の上流側及び下流側の温度差と、面方向熱コンダクタンス及び発電性能との関係を示す図である。
【図６】図６は、変形例における伝熱シートの概略構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１３】
［実施形態］
図１〜図３を参照して実施形態に係る熱電発電熱交換器１０の構成を説明する。熱電発電熱交換器１０は、高温流体と、この高温流体より温度の低い低温流体との間で熱交換を行う装置であり、高温流体と低温流体との温度差を利用して、高温流体から回収した熱エネルギーを電気エネルギーに変換することで発電を行う装置である。
【００１４】
熱電発電熱交換器１０は、典型的には、図１及び図２に示す高温外板１３により包囲されるブロック１１が複数積層され、これらの複数のブロック１１の間隙を高温流体が流れ、一方、各ブロック１１の内部を低温流体が流れて、これらの高温流体と低温流体との間で熱交換を行う構成をとる。また、高温流体が流れるブロック１１の間隙には高温側フィン１２が設置され、高温流体と低温流体との間の熱交換を促進するよう構成されている。図１及び図２では、これらの熱電発電熱交換器１０の構成のうち、単一のブロック１１と、その両側に設置される一対の高温側フィン１２が図示されている。
【００１５】
本実施形態では、図１及び図２に示すように、ブロック１１の積層方向の両側面に沿って高温側フィン１２を通過するように、高温流体が流れる高温流体流路１４が設けられている。一方、低温流体が流れる低温流体流路１５は、各ブロック１１の内部の略中央の位置に、低温流体の流れ方向が高温流体のものと直交するように設けられている。すなわち、図２に示すように、任意の１つのブロック１１の内部に配置される単一の低温流体流路１５を流れる低温流体は、このブロック１１の両脇の２つの高温流体流路１４を流れる高温流体との間で熱交換を行うことができる。
【００１６】
ここで、高温流体及び低温流体の「流体」とは、気体と液体との総称であり、例えば水、オイル、空気、ＣＯ2、フロンなどを含む。高温流体と低温流体の温度の関係は、高温流体の温度が相対的に低温流体の温度より高ければよい。例えば、本実施形態の熱電発電熱交換器１０がエンジン排気系に適用される場合には、高温流体としてエンジン排ガス（５００〜７００℃程度）を適用し、低温流体としてエンジン冷却水（４０〜９０℃程度）を適用することができる。
【００１７】
なお、図１では、高温流体の流れ方向が紙面左側から右側への水平方向として図示され、低温流体の流れ方向が紙面下側から上側への垂直方向として図示されている。また、図２では、高温流体の流れ方向は図１と同様に紙面左側から右側への水平方向として図示され、低温流体の流れ方向は紙面奥側から手前側への方向として図示されている。
【００１８】
高温流体流路１４と低温流体流路１５との間には、高温流体から低温流体へ伝達される熱により発電する発電モジュール１６が配置されている。発電モジュール１６は、例えば高温流体の流れ方向に沿って複数個（図２では２個）が設置される。個々の発電モジュール１６は、高温流体側に向けて配置される主面である高温側表面（素子高温端）１６Ａと、低温流体側に向けて配置される主面である低温側表面１６Ｂとの間の温度差を利用して、ペルチェ効果やゼーベック効果により温度差に応じた発電出力を得ることができる平板状のモジュールである。
【００１９】
隣接する発電モジュール１６は、配線を介して電気的に接続されている。また、複数の発電モジュール１６は、ブロック１１の積層方向から視たときに、図１に示すように高温側フィン１２が設けられる領域１７の中に収まるように配置されている。
【００２０】
また、この発電モジュール１６の高温側表面１６Ａと、高温流体流路１４との間には、高温外板１３より内側に伝熱シート１８が配置されている。伝熱シート１８は、高温外板１３の内周面と、発電モジュール１６の高温側表面１６Ａと接触して、両者の間に介在している。
【００２１】
伝熱シート１８は、図２及び図３に示すように、中央部１８Ａと、この中央部１８Ａの高温流体流路１４側及び低温流体流路１５側にそれぞれ密着して配置される一対の表面部１８Ｂとが積層して形成されている。
【００２２】
中央部１８Ａは、面方向への熱伝導性（面方向熱伝導率λ）が表面部１８Ｂより高くなるように材料が選定されている。また、表面部１８Ｂは、その弾性が中央部１８Ａより高くなるように材料が選定されている。言い換えると、表面部１８Ｂは、中央部１８Ａより平面度吸収代ｃ（以降では、単に「吸収代」や、「つぶれ代」とも表記する場合がある）が大きい。また、伝熱シート１８の中央部１８Ａ及び表面部１８Ｂは、共に４〜５００℃の耐熱性をもつ耐熱性材料で形成されている。
【００２３】
このように、本実施形態の熱電発電熱交換器１０において、伝熱シート１８の表面部１８Ｂの弾性は中央部１８Ａより高く、また、中央部１８Ａの面方向への熱伝導性λは表面部１８Ｂより高い。この構成により、表面部１８Ｂで熱交換器（高温外板１３）や発電モジュール１６の接触面の平面度（凹凸）を十分に吸収することができるため、密着性が良好となり、高温流体から収熱した熱を効率よく発電モジュールに伝えることができる。一方、中央部１８Ａは面方向に高い熱伝導性を有していることで、表面部１８Ｂから収熱した熱をヒートスプレッドさせ、均熱化させることができる。したがって、本実施形態の熱電発電熱交換器１０は、高い収熱効率を維持して熱交換器の高温流体流路と発電モジュール間の熱伝導性を確保しつつ、発電モジュールの高温側を均熱化して高効率で発電させることができる。
【００２４】
また、伝熱シート１８の材料を耐熱性材料で形成することにより、高温流体の温度を上げて発電モジュール１６の高温側表面１６Ａと低温側表面１６Ｂとの間の温度差ΔＴを増加させることができるので、発電効率をさらに向上できる。
【００２５】
また、本実施形態では、このような材料の要件を満たすべく、伝熱シート１８の中央部１８Ａは人造グラファイト（黒鉛）で形成されており、表面部１８Ｂは天然グラファイトで形成されている。言い換えると、伝熱シート１８は、１枚の人造黒鉛シートの両面に１枚ずつ合計２枚の天然黒鉛シートを組み合わせて構成されている。
【００２６】
伝熱シート１８は、熱交換器（高温外板１３）と発電モジュール１６との間の密着性を良好にさせるため、例えば１００μｍ程度の平面度を吸収できることが好ましい。言い換えると、平面度吸収代ｃが１００μｍ以上であることが好ましい。このような性能を満たすためには、伝熱シート１８の一対の表面部１８Ｂの合計厚みｔが１．０ｍｍ以上（各０．５ｍｍずつ）であり、かつ、密度ρが０．５ｇ／ｃｃ（ｇ／ｃｍ3）以下であることが好ましい。また、表面部１８Ｂの面方向熱伝導率λは１５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。
【００２７】
このような表面部１８Ｂのパラメータを満たすことにより、伝熱シート１８のつぶれ代ｃを所望の値とすることができ、高温外板１３と発電モジュール１６との間の密着性を確実に良好にすることができるので、高温流体流路１４を流れる高温流体からの収熱効率をより一層向上できる。
【００２８】
ここで図４を参照して、上記の表面部１８Ｂのパラメータ設定の根拠についてさらに説明する。図４の（ａ）は、表面部１８Ｂの材料である天然黒鉛（グラファイト）と、中央部１８Ａの材料である人造黒鉛のそれぞれについて、各材料の密度ρ（ｇ／ｃｍ3）に基づく面方向熱伝導率λ（Ｗ／ｍＫ）を示すグラフである。図中の菱形のプロットが天然黒鉛の特性であり、四角のプロットが人造黒鉛の特性を示す。図４の（ｂ）は、表面部１８Ｂの厚みｔが０．５、１．０、１．５（ｍｍ）の三種類について、密度ρに基づく平面度吸収代ｃ（μｍ）を示すグラフである。図中に厚みｔが０．５、１．０、１．５（ｍｍ）のそれぞれの場合の特性が示されている。
【００２９】
図４（ｂ）に示すように、吸収代ｃを１００μｍ以上とするためには、厚みｔは１．０ｍｍ以上であることが好ましい。また、密度ρが０．５ｇ／ｃｍ3以下であれば、上記の厚みｔの場合に確実に吸収代ｃを１００μｍ以上とすることができる。また、図４（ｂ）から、つぶれ代ｃを増やすためには、表面部１８Ｂの厚みｔを増やすか、または、密度ρを減らせばよいことがわかる。
【００３０】
また、図４（ａ）に示すように、表面部１８Ｂの密度が０．５ｇ／ｃｃ以下である場合には、表面部１８Ｂの天然黒鉛の面方向熱伝導率λは約１５０Ｗ／ｍＫ以上となっていることがわかる。さらに、図４（ａ）に示すように、中央部１８Ａの材料である人造黒鉛は、天然黒鉛に比べて密度が高く、かつ、面方向熱伝導率λも格段に高いことがわかる。
【００３１】
以上より、中央部１８Ａの材料として人造グラファイトを用い、また、表面部１８Ｂの材料として天然グラファイトを用いれば、所望の中央部１８Ａ及び表面部１８Ｂの性能を発揮できることが示された。
【００３２】
図５を参照して、発電モジュール１６の高温側表面１６Ａを均熱化することにより発電効率を向上できる効果についてさらに説明する。図５の（ａ）は、発電モジュール１６の高温側表面１６Ａのうち、最も高温となる入口側端部の温度と、最も低温となる出口側端部の温度との温度差ΔＴｉｏ（℃）に基づく面方向熱コンダクタンス１／Ｒ（Ｗ／Ｋ）を示すグラフである。図５の（ｂ）は、同じ温度差ΔＴｉｏに基づく発電性能Ｑ（％）を示すグラフである。図５の（ａ）、（ｂ）には、それぞれ温度差ΔＴｉｏが１４０℃の基準点Ｐ０と、温度差ΔＴｉｏが１００℃の点Ｐ１と、温度差ΔＴｉｏが０℃の点Ｐ２とがプロットされている。
【００３３】
なお、点Ｐ１を実現した各種条件は、面方向熱伝導率λ＝１５０Ｗ／Ｋ、伝熱シート１８の表面部１８Ｂの厚みｔ＝１．０ｍｍ、表面部１８Ｂの密度ρ＝０．５ｇ／ｃｃである。また、点Ｐ２を実現した各種条件は、面方向熱伝導率λ＝１５０Ｗ／Ｋ、伝熱シート１８の表面部１８Ｂの厚みｔ＝２．４ｍｍ、表面部１８Ｂの密度ρ＝０．５ｇ／ｃｃ、または、面方向熱伝導率λ＝１５００Ｗ／Ｋ、伝熱シート１８の表面部１８Ｂの厚みｔ＝３００ｍｍ、表面部１８Ｂの密度ρ＝２．０ｇ／ｃｃである。
【００３４】
図５（ａ）に示すように、温度差ΔＴｉｏが基準点Ｐ０から４０℃低減できた点Ｐ１の場合には、面方向熱コンダクタンス１／Ｒが０から０．２弱（Ｗ／Ｋ）まで増加し、図５（ｂ）に示すように、発電性能Ｑは１０％以上向上していることがわかる。さらに、図５（ａ）に示すように、温度差ΔＴｉｏを０℃まで低減できた点Ｐ２の場合には、面方向熱コンダクタンス１／Ｒが０．８強（Ｗ／Ｋ）まで増加し、図５（ｂ）に示すように、発電性能Ｑは３３％程度向上していることがわかる。
【００３５】
以上より、伝熱シート１８の面方向の熱伝導性を向上させて、高温流体の流れ方向に沿って発電モジュール１６の高温側表面１６Ａを均熱化することによって、発電性能が向上することが示された。
【００３６】
［変形例］
図６を参照して変形例を説明する。図６に示すように、伝熱シート１８の中央部１８Ａは複数枚が積層して形成される構成とすることもできる。中央部１８Ａは、面方向の熱伝導性λに優れる人造グラファイトで形成されるが、面方向熱伝導率λを増加させるためには厚みを増やす必要がある。市販の人造グラファイトのシートは厚みの上限が比較的低い（薄い）ので、所望の性能を満たすためにこれ以上の厚みが必要な場合には特注で製造しなければならずコストが高くなる。これに対して複数枚を積層して中央部１８Ａを形成する構成とすれば、生産量が大きい汎用的な厚みの人造グラファイトを複数枚積層して用いることで所望の厚みとすることができるので、低コストで所望の性能を発揮させることができる。
【００３７】
また、図６に示すように、一部のシートが経年劣化など分断され、ヒートスプレッドが阻害されても、残りの健全なシートでスプレッド性を維持することができるので、伝熱シート１８の寿命を延ばすことができる。
【００３８】
以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。
【００３９】
上記実施形態では、伝熱シート１８の中央部１８Ａが人造グラファイトで形成され、表面部１８Ｂが天然グラファイトで形成される構成を例示したが、表面部１８Ｂの弾性が中央部１８Ａより高いこと、また、中央部１８Ａの面方向熱伝導率λが表面部１８Ｂより高いこと、の要件を満たすことができれば、中央部１８Ａまたは表面部１８Ｂに他の材料を適用してもよい。例えば、伝熱シート１８の中央部１８Ａの他の材料としては、銅板（熱伝導率４００Ｗ／ｍＫ）を適用することができる。また、表面部１８Ｂの材料としては、ボロンナイトライド（耐熱６００℃以上、熱伝導率３０〜６０Ｗ／ｍＫ）を適用することができる。
【００４０】
また、上記実施形態では、高温流体と低温流体の流れ方向が直交するように高温流体流路１４及び低温流体流路１５が配置される構成を例示したが、高温流体流路１４と低温流体流路１５との間に発電モジュール１６が配置され、発電モジュール１６が高温流体から低温流体へ伝達される熱により発電できる構成であれば、高温流体流路１４及び低温流体流路１５の配置を直交以外に変更してもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１０：熱電発電熱交換器
１４：高温流体流路
１５：低温流体流路
１６：発電モジュール
１６Ａ：高温側表面
１８：伝熱シート
１８Ａ：中央部
１８Ｂ：表面部
λ：面方向熱伝導率
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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