An experimental study on the balancing of heat exchanger surface temperature distribution and module output power in a TEG containing multiple thermoelectric modules via integrated PCM
この実験的研究は、ナノ流体で強化された相変化材料をマルチモジュール熱電発電機の冷側熱交換器に統合することが、表面温度分布を効果的に均一化し、それによって個々のモジュールの出力を均衡させ、特に高回転のエンジンにおいてグラファイトナノ粒子を用いた場合に全発電量および燃料エネルギー回収率を向上させることを示している。
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あらゆる自動車のエンジンは、妥協の産物である。燃料を燃やして運動を生み出すが、物理法則によって、そのエネルギーの大部分が車輪に到達しないことが決まっている。代わりに、そのエネルギーは排気管から轟音とともに放出されたり、エンジンブロックから放射されたりする熱として逃げていく。数十年にわたり、エンジニアはこの廃熱を、燃焼に伴う避けられない損失、すなわち必要な「税金」と見なしてきた。しかし、この失われたエネルギーの一部を取り戻すための有望な技術が存在する。それが熱電発電機である。これらの装置は、熱で動く固体電池のような役割を果たす。これらには、片側が熱く、もう片側が冷たいときに電気を発生させる特殊な材料が含まれている。両側の温度差が大きければ大きいほど、より多くの電力を生み出す。しかし、課題は、現実世界のエンジンが「乱雑」であることだ。排気ガスがシステム内を駆け抜ける際、ガスは急速に冷却されるため、発電機の前面は灼熱である一方、背面は単に温かい程度であるという状況が生じる。この不均一性は、デバイス内部の個々の発電ブロックにおいて、まるで一部のランナーは全力疾走し、他のランナーはジョギングをしているような状態を作り出し、グループ全体のスピードを低下させてしまう。
トルコのスレイマン・デミレル大学の研究者たちは、この不均一性という特定の問題を解決しようとした。彼らは、プロパン燃料エンジンからの排熱を捕集するように設計された熱電発電機を製作した。装置は、層状に配置された24個の個別パワーモジュールを含む、大きな長方形の箱であった。これらのモジュールの冷側を冷却するために、彼らはエンジン冷却液を満たした標準的な冷却システムを使用した。しかし、単にパイプの中に液体を流すだけでは、変動する排気ガスによって引き起こされる温度スパイクを平滑化するには不十分であることに気づいた。これを修正するために、彼らは相変化材料、つまり溶ける際に大量の熱を吸収するワックスのような物質を導入し、「熱のスポンジ」として機能させた。彼らは冷却パイプの周囲の空間にこの材料を充填し、それが過剰な熱を吸収してゆっくりと放出することで、デバイス全体にわたってより均一な温度を作り出すことを期待した。
チームはワックスを使用するだけで終わらなかった。彼らは、これらの材料が熱を蓄えることには優れているが、熱を移動させることには劣っていることが多いことを知っていた。これを解決するために、彼らは酸化アルミニウムとグラファイトという2種類の異なる材料の微粒子を混ぜ合わせた。彼らは比較のために、純粋なワックス、10パーセントの酸化アルミニウムを混ぜたワックス、そして10パーセントのグラファイトを混ぜたワックスの3つのバージョンの冷却システムを作成した。そして、エンジンを毎分2,000回転から4,000回転の様々な速度で運転し、それぞれのバージョンがどれだけの電力を生成し、その電力が24個のモジュールの間にどれほど均等に分配されているかを測定した。
結果は、ワックス単体でも効果はあるものの、粒子の添加が大きな違いをもたらすことを示した。特にグラファイトの混合物が最も効果的であることが証明された。グラファイトは酸化アルミニウムよりもはるかに熱伝導率が高いため、ワックスが冷却システム全体に熱エネルギーをより迅速かつ均一に広げることを可能にした。これにより、通常は熱を受け取りにくい発電機の後方のモジュールが、前方のモジュールに追いつくことができた。純粋なワックスのシステムでは、高速走行時に最初のグループのモジュールが最後のグループのほぼ2倍の電力を生成していた。グラファイト混合物を用いることで、その差は劇的に縮まり、全モジュールの性能が互いに非常に近いものになった。このバランス調整により、システム全体がより多くの総電力を生成することができた。テストされた最高エンジン回転数において、グラファイト強化システムは、純粋なワックスのみを使用したシステムよりも6パーセント以上多くの電力を生成した。
単に電力をより多く生成するだけでなく、改良されたシステムは、自らの廃熱からのエネルギー回収効率もわずかに向上させた。グラファイト混合物は、冷却システムが排熱からより多くの熱を引き抜くのを助け、デバイスから出るガスの温度を下げ、システムから出る冷却水の温度を上げた。これは、より多くの熱が捕捉され、大気中に失われるのではなく、電気へと変換されていることを示していた。この研究は、ワックスと導電性粒子のスマートな混合物を使用することで、エンジンの排気の混沌とした熱を制御し、安定した信頼できる電流へと変えることが可能であることを裏付けた。回収される電力の総量は依然としてエンジンの総出力のごく一部であるが、この手法は、複雑な可動部品や電子制御を追加することなく、車両や産業機械の効率を向上させる受動的で信頼性の高い方法を提供する。研究は、廃熱からより多くのエネルギーを引き出す鍵は、単に熱を捕まえることではなく、その熱がシステム内をどのように移動するかを管理することにあると示唆している。
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