JP2007311719A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電発電装置において、複数の熱電変換素子への押圧力を各々所定の大きさに調整し、熱エネルギから電気エネルギへの高効率の変換を実現し、優れた性能の発電機能を得ることができるようにする。
【解決手段】高温媒体流路を有する高温部材３と、低温媒体流路を有する低温部材４と、これら高温部材と低温部材との間に扶持され、高温媒体流路に供給される高温媒体と低温流路に供給される低温媒体との温度差による熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換素子２と、高温部材と低温部材とを熱膨張吸収用の弾性部材を介して囲繞する環状のフレーム７と、このフレームを外周側から押圧する押圧部材と、この押圧部材の押圧力を調節する押圧力調整部材とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は熱電変換素子を用いて温度差による熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電装置に係り、特に熱源を流体とする熱電発電装置に関する。

近年、人類のエネルギ消費量は、産業や科学技術の発達に伴い、歴史的に例を見ないほど加速された。その結果、ＣＯ_２などの温室効果ガスによる地球温暖化の問題が浮上している。温室効果ガスの発生をできるだけ抑制するために、現在工場など各種産業を始めとして、自動車などの内燃機関から未利用のまま廃棄されている高温のエネルギを、可能な限り電気エネルギとして回収する発電装置の製品化が期待されている。

熱エネルギを電気エネルギとして回収する発電装置として、熱電変換素子を用いた発電技術がよく知られている。この熱電変換素子は、金属あるいは半導体の両端に温度差を与え、高温部と低温部との間に電位差を生じさせるというゼーベック効果を利用したものであり、温度差が大きいほど発電量も大きくなるという特徴がある。

従来では、このような熱電変換素子を利用した熱電発電装置として、例えば、内燃機関の排気熱エネルギを電気エネルギに変換することを目的として、熱電変換素子を、排気流路の一部を形成する高温部材と低温媒体流路を形成する低温部材とで挟持させ、バンドで締付けることにより押圧状態とし、熱電変換素子の高温の面と低温の面とに高温部材と低温部材とをそれぞれ接触させ、熱エネルギを電気エネルギに変換する構成としたものが種々提案されている（例えば、特許文献１，２等参照）。
特開２００５−２２３１３１号公報 特開２００４−２０８４７６号公報

上述した従来の熱電発電装置においては、バンドに付属するねじの締付けのみで複数の熱電変換素子を同時に締付ける構成となっているため、熱電変換素子や低温部材の製作精度および組立精度にバラツキが生じ易い。この結果、各熱電変換素子を均等な押圧力で締付けることができず、接触熱抵抗が不均一となり、所定の発電性能を得ることができない場合がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、複数の熱電変換素子への押圧力を各々所定の大きさに調整することができ、熱エネルギから電気エネルギへの効率よい変換を実現し、高性能の発電機能を得ることができるとともに、構造健全性およびメンテナンス性にも優れた熱電発電装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明では、高温媒体流路を有する高温部材と、この高温部材の外周側に配置され内部に低温媒体流路を有する低温部材と、これら高温部材と低温部材との間に扶持され、前記高温媒体流路に供給される高温媒体と前記低温流路に供給される低温媒体との温度差による熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換素子と、前記低温部材の外周側を囲む環状のフレームと、このフレームに支持されて前記低温部材を前記高温部材側に向けて押圧する熱膨張吸収機能を有する押圧部材とを備え、前記押圧部材は、前記低温部材を外周側から押圧する複数枚の積層構造とされた弾性部材と、前記フレームに外周側から装着されて前記弾性部材による内周側に向く押圧力を調節する押圧力調整部材とを有する構成としたことを特徴とする熱電発電装置を提供する。

本発明によれば、低温部材の外周側を囲む環状のフレームと、このフレームに支持されて低温部材を高温部材側に向けて押圧する熱膨張吸収機能を有する押圧部材とを備え、押圧部材は、低温部材を外周側から押圧する複数枚の積層構造とされた弾性部材と、フレームに外周側から装着されて弾性部材による内周側に向く押圧力を調節する押圧力調整部材とを有する構成としたことにより、複数の熱電変換素子への押圧力を各々所定の大きさに調整することができ、熱エネルギから電気エネルギへの高効率の変換を実現し、優れた性能の発電機能を得ることができるとともに、構造健全性およびメンテナンス性も向上することができる。

以下、本発明に係る熱電発電装置の実施形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態（図１〜図４）］
図１は、本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置の構成を示す拡大断面図（図２のＡ−Ａ線断面図）であり、図２は熱電発電装置の全体構成図である。図２には、４体の熱電発電装置ユニットが一定隙間をあけて隣接配置された例を示している。

図１および図２に示すように、本実施形態の熱電発電装置１は、図示しない熱源から供給される高温媒体の流路を形成する高温部材３と、高温部材３に一方の面を当接して受熱する熱電変換素子２と、図示しない冷却設備から供給される低温媒体を内部に流通させて熱電変換素子２の他方の面を冷却する低温部材４とを備えている。

高温部材３は最内部位置に設けられた多角柱状、例えば八角柱状のものであり、この高温部材３に図示省略の熱源から供給される高温媒体ａを供給する流路、すなわち高温媒体流路１７が形成されている。この高温媒体流路１７は高温部材３の軸方向に沿って複数本穿設された多孔状流路であり、例えば高温部材３の中心から所定径の位置に２重配列で形成され、この高温媒体流路１７への高温媒体ａの供給により加熱される。

熱電変換素子２は所定厚さの矩形板状をなし、高温部材３の外周の平坦な各表面に対応する数枚、すなわち８枚備えられ、これらが高温部材３の外周の平坦な各表面に当接配置され、これらの熱電変換素子２は高温部材３との接触により装置内面側からの受熱で加熱される。

このような構成において、フレーム７に支持されて低温部材４を高温部材３側に向けて押圧する熱膨張吸収機能を有する押圧部材６を備えている。この押圧部材６は、低温部材４を外周側から押圧する複数枚の積層構造とされた弾性部材としてのばね部材５ａと、フレーム７に外周側から装着されてばね部材５ａによる内周側に向く押圧力を調節する押圧力調整部材とを有する構成となっている。

すなわち、各熱電変換素子２の外周面側には、それぞれ矩形板状をなす低温部材４が複数枚（８枚）当接配置されており、これらの低温部材４には、図示省略の冷却設備から供給される低温媒体ｂを供給する流路、例えば蛇行流路としての低温媒体流路４ａが形成されている。これらの低温部材４に熱電変換素子２の外面が接触することにより、熱電変換素子２が装置外面側から冷却される。

次に、図３および図４も参照してさらに構成を詳細に説明する。図３は図１の一部を拡大して示す拡大断面図であり、図４は図３のＢ−Ｂ線断面図である。

これらの図に示すように、本実施形態の熱電発電装置１では、高温部材３と低温部材４とを熱膨張吸収用の皿ばねまたは板ばね等のばね部材５ａを介して囲繞する環状のフレーム７を備えている。フレーム７は例えば円環状であり、低温部材４の外周側に間隔をあけて同心配置されている。このフレーム７には、周方向に一定の間隔で、すなわち熱電変換素子２の外面の略中央位置に対向する配置で、ねじ孔７ｂが形成されている。

各ねじ孔７ｂには、低温部材４を外周側から押圧力調整するための押圧力調整部材６としてスクリュープラグ６ａがそれぞれ螺挿されている。このスクリュープラグ６ａのねじ込み量を調整することにより、熱電変換素子２は高温部材３と低温部材４との間にばね部材５ａ等からなる押圧部材により挟持強さを調整することができる。すなわち、押圧部材を押し付けるスクリュープラグ６ａ等のボルト材により、ばね部材５ａからの反力をフレーム７で受ける構成となっている。

この構成について、さらに詳述する。スクリュープラグ６ａの挿入端部には円筒状のブッシュ１２が設けられており、このブッシュ１２の先端が、ばね部材５ａの外周側端部に配置したワッシャ１３に当接している。また、ばね部材５ａの内周側には、例えば円柱状のガイド１４が挿入されており、このガイドの挿入側先端部には鍔状部分１４ａが形成されている。鍔状部分１４ａは低温部材４の外周面側に形成された凹部に嵌合状態で当接するとともに、ばね部材１５の挿入端部によって押圧される状態となっている。

このように、高温部材３に当接した熱電変換素子２は、最外周に設置したフレーム７に取付けられた押圧部材６と、周方向および軸方向への位置決め、ならびに荷重伝達機能を有するブッシュ１２と、押圧部材６のばね部材５ａへの荷重伝達機能を有するワッシャ１３と、押圧荷重発生と熱膨張吸収の機能を有するばね部材５ａと、ばね部材５ａの位置決めおよび低温部材４への荷重伝達機能を有するガイド１４とを備えており、熱電変換素子２に低温部材４が所定の力で押圧される。

この押圧力により、高温部材３と熱電変換素子２との密着性が高められ、高温部材３と熱電変換素子２との接触熱抵抗の軽減が図られる。押圧部材６はボルト材であり、フレーム７に設けられた雌ねじ７ｂにねじ込まれ、これにより押圧部材６の回転をフレーム７に対して直角方向の運動に変換することができるため、ばね部材５ａのたわみ量、すなわち、押圧力を精度よく調整することができる。

また、図１、図２および図４に示すように、発電した電力を外部に取り出すプローブ８と、プローブ８を熱電変換素子２の電極に押し付ける押し付け治具９と、プローブ８の絶縁をする絶縁スリーブ１０とが設けられている。押し付け治具９および絶縁スリーブ１０の材質は、フッ素樹脂のような耐熱性と絶縁性を併せ持つ材料が適している。高温部材３の熱電変換素子２が接触していない部分には、熱エネルギの損失を抑制するために、断熱材１１が設置されている。

低温部材４はエッチングおよび拡散接合により製作され、小型化が図られている。低温部材４の内部には低温媒体の流路４ａが形成されており、低温部材４の上面に設けられた低温媒体の出入口には継手１５が取付けられている。なお、図３においては低温媒体の継手１５が低温部材４の上面に設けられた構成を示しているが、この継手１５は低温部材４の側面に設けてもよい。継手１５には冷却配管、例えば銅管やフッ素樹脂スリーブが接続され、複数の低温部材４に跨って低温媒体が流通するように接続される。

また、プローブ８についても、付属のばね８ａを絶縁性と耐熱性を有するフッ素樹脂製の押し付け治具９で熱電変換素子２の電極２ａに押圧することで、接触抵抗の軽減が図られている。なお、２個のプローブ８同士およびプローブ８と低温部材４との絶縁をするため、絶縁スリーブ１０が低温部材４に設置されている。

本実施形態の熱電発電装置１では、図１の構成を１ユニットとしており、図２に示すように、高温部材３の軸方向に複数のユニット（例えば４ユニット）が連続して配設される。但し、これに限らず、さらに必要に応じて多数ユニット配設することができる。これにより発電量の大容量化を図ることができる。この場合、低温媒体ｂは図示しない入口ヘッダを介して各ユニットの低温部材４に配管１６を介して供給され、低温媒体ｂは各ユニットの周方向に複数の低温部材４に跨って流通し、発電作用中に温められた低温媒体は、配管１６を介して図示しない出口ヘッダヘと戻される。

なお、低温媒体ｂは、図示しない入口ヘッダを介して一段目のユニットの各低温部材４に平行して供給させ、軸方向に配設された他のユニットヘ軸方向に複数の低温部材４に跨って流通させ、温められた低温媒体が図示しない出口ヘッダヘと戻されるように構成してもよい。

上記の構成によれば、押圧部材６で押圧力調整部材のたわみ量を調節することにより、各熱電変換素子２を所定の力で高温部材３と低温部材４の問に押圧することができ、熱電変換素子２の上下面に効率よく温度差をつけることができる。

また、高温部材３、熱電変換素子２、および低温部材４とフレーム７との問には、温度差により熱膨張差が発生するが、押圧部材６にはばね部材５ａが備えられており、押圧部材６による初期締付量を、通常運転時において熱電変換素子２に適切な押圧力が発生するように、また最大温度条件においても熱電変換素子２を損傷するほどの過大な押圧力が発生しないように、組立時において設定することにより、熱電変換素子２の健全性を保つことができる。

なお、熱電変換素子２は低温部材４に嵌合状態で位置決めされているが、高温部材３に対しては、外周方向の拘束力が働かないように摺動可能な状態で押圧されて固定されている。

発電された電力は、プローブ８を熱電変換素子２に押圧することにより取り出される。この方式を採用することにより、熱電変換素子２への機械的な接続を不要とし、組立を簡素化できる。また、高温部材３とフレーム７との熱膨張差も吸収できるため、プローブ８の健全性も確保できる。

なお、高温部材３の外表面形状については、図１に例示したように軸断面が八角形状に形成されているが、これは多角形であればよく、例えば四角形でも六角形でもよい。これにより、熱電変換素子２を高温部材３の表面に密着させることができるため、効率よく熱エネルギを熱電変換素子２に伝達することができる。

各種産業プラント等で既設の配管に本実施形態の熱電発電装置１を設置する場合には、既設配管と熱電変換素子２との表面状態に対し密着性がよく、熱伝導率の大きい治具を高温部材３と熱電変換素子２との間に介在させればよい。

また、高温部材３と熱電変換素子２、あるいは高温部材３と押付け治具９、また押付け治具９と熱電変換素子２との間で接触熱抵抗低減または温度分布の均一化を図るため、シリコングリースや熱伝導シートをそれらの間に介在させてもよい。ここで、熱伝導シートの材質は、グラファイトや貴金属等の熱伝導率の大きい材料を適用することが望ましい。

なお、高温媒体流路１７には一般的に、高温媒体からの伝熱面積を大きくするため流路にフィンが形成され、配管内部へのフィン形成については、材料製造段階での引き抜き加工、棒材からの放電加工、外枠とフィンを個別に製作後の焼きばめ等の製作方法がとられるが、製作費が高くなる。しかし、孔を複数開ける多孔状の流路１７の場合には棒材への孔加工のみでよく、さらに流路面積が小さいため流速が増し、熱伝達も良好で、伝熱面積も比較的大きくとることができるため、熱エネルギを効率よく熱電変換素子２に供給することができる。

また、本実施形態の熱電発電装置１では、高温媒体ａとして液体金属、溶融塩、またはイオン性流体のいずれかを使用することが望ましい。すなわち、液体金属、溶融塩、イオン性流体には、常圧下で低融点、高沸点の物質であり、液体として使用する場合、熱伝達率が気体に比べて極めて大きいため、熱エネルギを効率良く熱電変換素子２に供給することができる。これらの高温媒体は、原子力プラントの冷却材を利用してもよく、各種産業プラントからの廃熱を利用して熱交換して得てもよい。

以上説明したように、本発明の第１実施形態によれば、熱エネルギから電気エネルギへの効率よい変換を実現し、高性能で構造健全性に優れた熱電発電装置を提供することができる。

［第２実施形態（図５，図６）］
本発明の第２実施形態について、図５および図６を参照して説明する。図５は本実施形態に係る熱電発電装置を示す側面図であり、図６は一部を分解した状態で示す図５のＣ−Ｃ線断面図である。なお、第１実施形態と同一の構成部品には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の熱電発電装置１では、図５および図６に示すように、フレーム７が円形枠状とされており、このフレーム７の周方向あるいは軸方向に開口部７ａが形成されている。この開口部７ａの寸法が、熱電変換素子２および低温部材４の外形寸法よりも大きい構成となっている。すなわち、フレーム７に開けられた開口部７ａから熱電変換素子２、低温部材４および押圧部材６を挿入できるようになっている。

フレーム７は、ばね部材５ａを押し付ける押圧力調整部材６ａを備え、ばね部材５ａからの反力を受ける支持部材１８が装着可能であり、支持部材１８には発電した電力を外部に取り出すプローブ８や押し付け治具９も取付けられる。

従来、熱電発電装置の分解組立では、各熱電変換素子をバンドやフレームを使って一度に取付ける必要があり、作業性が悪かったが、本実施形態の構成によれば、各熱電変換素２子をフレーム７の外周側から個別に脱着可能となり、分解組立の作業性が飛躍的に向上する。

本実施形態によれば、熱エネルギから電気エネルギへの効率よい変換を実現し、高性能でかつ構造健全性とメンテナンス性に優れた熱電発電装置を提供することができる。

［第３実施形態（図７，図８）］
本発明の第３実施形態について、図７および図８を参照して説明する。図７は本実施形態に係る熱電発電装置のフレームを示す側面図であり、図８は図７のＤ−Ｄ線断面図である。なお、第１および第２実施形態と同一の構成部品には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図８および図９に示すように、本実施形態に係る熱電発電装置１では、フレーム７が周方向に２分割構成された半円弧状とされており、これらの端部に設けられたフランジ部をボルト１９で締結することにより、環状に形成することができる構成となっている。なお、周方向の分割数は２分割以上でもよい。

このような本実施形態の構成によれば、熱電発電装置１の本体構成部材を各種産業プラント等の既設配管に取付け、または取外しをする際、配管の切断溶接が不要となるため、工期の短縮による工事費用の削減およびメンテナンス時の作業性を向上することができる。

本実施形態によれば、熱エネルギから電気エネルギへの効率よい変換を実現し、高性能でかつメンテナンス性に優れた熱電発電装置を提供することができる。

［第４実施形態（図９，図１０）］
本発明の第４実施形態について、図９および図１０を参照して説明する。図９は本実施形態に係る熱電発電装置のフレームを示す側面図であり、図１０は図９のＥ−Ｅ線断面図である。なお、第１および第２実施形態と同一の構成部品には同一符号を付して、重複する説明は省略する。

図９および図１０に示すように、本実施形態の熱電発電装置１は、軸方向の幅が狭いフレーム７が周方向に２分割で構成されるとともに、複数の軸方向部材７ｃによって連結されており、ボルト１９で締結することにより環形柵状に形成することができる構成となっている。なお、本実施形態においても、周方向の分割数は２分割以上でもよい。

本実施形態の構成によっても、熱電発電装置１本体を各種産業プラント等の既設配管に取付け取外しをする際、配管の切断溶接が不要となるため、工期の短縮による工事費用の削減およびメンテナンス時の作業性が向上する。

第３実施形態によれば、熱エネルギから電気エネルギへの効率よい変換を実現し、高性能でかつメンテナンス性に優れた熱電発電装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置を示す拡大断面図（図２のＡ−Ａ線断面図）。 本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置の熱電変換素子押圧構造を示す全体側面図。 図１の一部を示す拡大断面図。 図３のＢ−Ｂ線断面図。 本発明の第２実施形態に係る熱電発電装置を示す側面図。 一部を分解した状態で示す図５のＣ−Ｃ線断面図。 本発明の第３実施形態に係る熱電発電装置のフレームを示す側面図。 図７のＤ−Ｄ線断面図。 本発明の第４実施形態に係る熱電発電装置のフレームを示す側面図。 図９のＥ−Ｅ線断面図。

符号の説明

１…熱電発電装置、２…熱電変換素子、３…高温部材、４…低温部材、５ａ…ばね部材、６…押圧部材、６ａ…押圧力調整部材、７…フレーム、７ａ…開口部。

Claims (6)

1. 高温媒体流路を有する高温部材と、この高温部材の外周側に配置され内部に低温媒体流路を有する低温部材と、これら高温部材と低温部材との間に扶持され、前記高温媒体流路に供給される高温媒体と前記低温流路に供給される低温媒体との温度差による熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換素子と、前記低温部材の外周側を囲む環状のフレームと、このフレームに支持されて前記低温部材を前記高温部材側に向けて押圧する熱膨張吸収機能を有する押圧部材とを備え、前記押圧部材は、前記低温部材を外周側から押圧する複数枚の積層構造とされた弾性部材と、前記フレームに外周側から装着されて前記弾性部材による内周側に向く押圧力を調節する押圧力調整部材とを有する構成としたことを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記フレームには周方向または軸方向に沿って開口部が形成され、この開口部の寸法は前記熱電変換素子および前記低温部材の外形寸法よりも大きい構成とされている請求項１記載の熱電発電装置。
3. 前記フレームは周方向に沿って配置された複数の分割体により構成されている請求項１または２記載の熱電発電装置。
4. 前記高温部材は多角柱状に形成されている請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の熱電発電装置。
5. 前記高温部材の高温流路は多孔状流路とされている請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の熱電発電装置。
6. 前記高温媒体は液体金属、溶融塩、またはイオン性流体のいずれかである請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の熱電発電装置。

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