JP2008091453A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各種産業施設における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とともに、構造健全性および取付け、メンテナンス等の作業性にも優れた熱電発電装置の提供。
【解決手段】高温媒体の熱エネルギを伝導する高温部材３、内部に低温媒体流路を有する低温部材４、高温媒体と低温媒体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を組み込んだ熱電モジュール２、低温部材の高温媒体とは反対の側に配置されたフレーム７、このフレームと高温部材との間を締結する複数本のタイロッド５Ｃとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は熱電モジュール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、特に高温流体あるいは輻射熱を発する各種熱源を広く利用して効率よく発電することができ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等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、現在ガス焼却炉や火力プラント等各種産業を始めとして、自動車等の内燃機関から未利用のまま廃棄されている高温の熱エネルギを、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、熱電発電素子を用いた発電技術がよく知られている。この熱電発電素子は、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。通常、複数の熱電発電素子を組み込んだ熱電モジュールという形態で使用されることが多い。

従来では、このような熱電モジュール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、熱電モジュールを、バンド等で締付けることにより押圧状態とし、熱電モジュールの高温の面と低温の面とに高温部材と低温部材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

上述した熱電発電装置を始めとして、従来提案されている熱電発電装置においては、熱源である高温流体を装置の中心部に備えた伝熱管に流通させ、その周囲から熱電モジュールを伝熱管表面に押圧状態で固定する構成に関するものがほとんどであり、高温熱源から延長した部材で熱電モジュールと低温部材を直接的に結合する構成のものはなかった。そのため、伝熱管の形状のものにしか取付けることができず、各種産業施設に数多く存在する熱源高温流体あるいは輻射熱を発する熱源等の様々な形態の熱源への適用につては適用が制限を受けていた。

本発明はこのような記事情に鑑みてなされたもので、各種産業施設における既設の高温熱源に直接あるいは少し距離をおいて設置することで、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、構造健全性および取付け、メンテナンス等の作業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、請求項１に係る発明では、高温媒体の熱エネルギを伝導する高温部材と、この高温部材の前記高温媒体とは反対の側に配置され、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挟持され、前記高温媒体と前記低温媒体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を組み込んだ熱電モジュールと、前記低温部材の前記高温媒体とは反対の側に配置されたフレームと、このフレームと前記高温部材との間を締結する複数本のタイロッドとを備えたことを特徴とする熱電発電装置を提供する。

本発明に係る熱電発電装置によれば、各種産業施設における既設の高温熱源に直接あるいは少し距離をおいて設置することで、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、構造健全性および取付け、メンテナンス等の作業性にも優れた機能を発揮することができる。

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５）
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断面図（図２のＡ−Ａ線断面）であり、図２は熱電発電装置の１ユニットを示す斜視図である。図３は、低温部材の斜視図であり、図４は低温媒体流路（図１のＢ−Ｂ線断面）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熱エネルギを伝導により受熱する高温部材３と、この高温部材３に一方の面を当接して受熱する熱電モジュール２と、図示しない冷却設備から供給される低温媒体１５を内部に流通させて熱電モジュール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は例えば平板状であり、その一側面に形成した複数のねじ穴３ａ（図示の例では２個）に、それぞれタイロッド５ｃが取付けられている。なお、タイロッド５ｃの高温部材３への取付けは、ボルト締結または溶接等を適用してもよい。また、高温部材３については、熱源を内包する図示省略の高温壁を直接、高温部材３として適用し、これに直接タイロッドを結合してもよい。

熱電モジュール２は所定厚さの矩形板状をなしており、高温部材３の一側面に当接配置され、高温部材３との接触により加熱される。また、低温部材４は例えばエッチングで加工された複数枚の板を積層させて拡散接合された矩形状をなすものであり、その一面（図１の上面）には凹部４Ｃが形成されている。この低温部材４が熱電モジュール２の外面に当接配置される。

図３は、低温部材４への継手８および配管９の取付け構造を示している。この図３に示すように、この低温媒体流路４ａの入口および出口４ｂは、低温部材４の外表面に例えばねじ穴として形成され、配管９接続用の継手８がねじ込んで取付けられている。

また、図４は、低温部材３における低温媒体流路４ａ等の構成を示している。図４に示すように、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１５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。この低温部材４に熱電モジュール２の外面が接触することにより、熱電モジュール２が装置外面側から冷却される。低温部材４には電極２ａが設けられている。

そして、図１に示すように、熱電発電装置１は押圧部材５を備え、この押圧部材５はフレーム７を介して低温部材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している。押圧部材５は、低温部材４を押圧する複数枚の積層構造とされた弾性部材であるばね部材５ａと、このばね部材５ａとタイロッド５ｃとの先端部との間に介挿されて、ばね部材５ａによる押圧力の低減を緩和するスペーサ５ｂと、フレーム７と高温部材３との間を締結する複数本（２本）のタイロッド５ｃとを有する構成となっている。スペーサ５ｂの両端部には、ワッシャ５ｆ、５ｇがそれぞれ設けられている。

この構成において、運転時には高温部材３、熱電モジュール２および低温部材４からなる熱交換部と、タイロッド５ｃとの間に、熱膨張係数と温度分布の違いにより熱膨張差が発生する。スペーサ５ｂは、タイロッド５ｃよりも熱膨張係数の大きい材質、例えば銅合金であり、温度が上昇するに従ってタイロッド５ｃよりも大きな熱膨張量を示し、熱膨張差によるばね部材５ａの緩みを抑える構成となっている。

図５は、低温部材４、熱電モジュー２、フレーム７およびタイロッド５Cを１ユニットとし、このユニットを複数配列した複数ユニットとして高温部材３に設置した熱電発電装置１の構成を示している。この熱電発電装置１は、熱電発電装置ユニットを３×４個、すなわち計１２個を高温部材３上に均等配置し、例えば既設の高温壁１２に設置し、高温の対流２０を受けて、発電を行なうようになっている。ユニットの個数は高温壁１２の大きさと発電量に応じて調整可能である。また、高温壁１２への設置方法は、溶接または締結でもよいし、直接高温壁１２への施工が可能であればタイロッド５ｃを直接結合してもよい。

ここで、図１から図５を参照して、さらに構成を詳細に説明する。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とを板状のフレーム７を介して熱膨張吸収用のばね部材５ａ、例えば皿ばねで押圧している。このフレーム７には、熱電モジュール２の略中央位置に、貫通孔７ａが形成されている。貫通孔７ａには、例えば円柱状のガイド６が挿入されており、このガイド６の挿入側先端部には鍔状部分６ａが形成されている。鍔状部分６ａは低温部材４の上面側に形成された凹部７ｃに嵌合状態で当接するとともに、フレーム７の下面によって押圧される状態となっている。

この構成において、ナット５ｄのねじ込み量を調整することにより、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５を介して熱電モジュール２の挟持強さを調整することができる。ばね部材５ａからの反力は、タイロッド５ｃで受ける構成となっている。

このように、高温部材３に当接した熱電モジュール２は、押圧荷重発生と熱膨張吸収の機能を有する押圧部材５と、フレーム７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６を備えており、熱電モジュール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と熱電モジュール２との密着性が高められ、高温部材３と熱電モジュール２との接触熱抵抗の軽減が図られる。ナット５ｄはタイロッド５ｃの先端に形成されたねじ部５ｈにねじ込まれ、これによりナット５ｄの回転をスペーサ５ｂ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。

スペーサ５ｂは、ばね部材５ａの上部に設置されており、高温運転時には高温部材３からタイロッド５ｃを通じて熱が伝わり、ばね部材５ａよりも温度が高くなる。一方、ばね部材５ａである皿ばねは、スペーサ５ｂと線接触しているため温度の上昇が抑えられる。さらに、ばね部材５ａである皿ばねとフレーム７との間も線接触であり、フレーム７への熱の移動も少ない。したがって、タイロッド５ｃよりも熱伝導率および熱膨張係数の大きい材質であるスペーサ５ｂは、温度が十分高く、タイロッド５ｃよりも大きな熱膨張量を示し、熱膨張差によるばね部材５ａの緩みを吸収することができる。

また、ばね部材５ａの温度を低く保つことで、ばね定数の低下を防ぐことができ、さらに、ばね部材５ａやフレーム７への熱の逃げを小さくし、熱エネルギ損失を減らすことができる。ここで、タイロッド５ｃは、熱源となる使用設備により、例えば温度が４００℃以上の高温になることが想定されるため、材質にはクリープ疲労損傷に対する強度を有する材料が求められる。そこで、タイロッド５ｃの材質としては、例えばＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼、またはＮＣＦ６００等の高ニッケル合金を適用することが望ましい。

高温部材３の熱電モジュール２が接触していない部分については、熱エネルギの損失を抑制するために、断熱材１４が設置されている。また、低温部材４はエッチングおよび拡散接合で製作することにより、小型化が図られている。低温部材４の内部には低温媒体１５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１５の出入口４ｂには継手８が取付けられている。

なお、図３においては低温媒体１５の継手８が低温部材４の上面に取付けられた構成を示しているが、この継手８は低温部材４の側面に設けてもよい。継手８には、配管９として例えば鋼管、銅管、またはフッ素樹脂チューブが接続され、複数の低温部材４に跨って低温媒体１５が流通するように接続されている。

本実施形態の熱電発電装置１では、上述したように図２の構成を１ユニットとしており、図５に示すように、高温部材３の表面に複数のユニット（例えば１２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のユニットを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。

低温媒体１５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９を介して供給され、低温媒体１５は各ユニットに複数の低温部材４に跨って流通し、発電作用中に温められた低温媒体１５は、配管９を介して図示しない出口ヘッダヘと戻される。

上記の構成によれば、押圧部材５でばね部材５ａのたわみ量を調節することにより、各熱電モジュール２を所定の力で高温部材３と低温部材４との間に押圧することができ、熱電モジュール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、熱電モジュール２、および低温部材４と押圧部材５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５にはばね部材５ａとスペーサ５ｂが備えられており、ばね部材５ａによる初期締付量を、通常運転時において熱電モジュール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モジュール２の性能を損ねるほどの過小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、熱電モジュール２の健全性を保つことができる。

各種産業プラント等で既設の高温壁１２に本実施形態の熱電発電装置１を設置する場合には、高温壁１２と熱電モジュール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と熱電モジュール２との間に介在させ、ボルト締結または溶接にて固定すればよい。

また、高温壁１２への直接の施工が可能であれば、高温壁１２を高温部材３の代用として直接取付けることも可能である。さらに、高温壁１２の表面状態が悪く、凹凸等がある場合には、高温壁１２と高温部材３との間を所定の距離だけ離し、輻射熱を熱源とすることもできる。

なお、高温部材３は、腐食性流体等に曝されることが多く、上述したように温度も４００℃以上の高温になることが想定されるため、材質には耐食性と高温強度が要求される。また、溶接や加工性も必要であり、高温部材３の材質はクロムモリブデン鋼、フェライト系ステンレス鋼、またはオーステナイト系ステンレス鋼であることが望ましい。

また、高温部材３と熱電モジュール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、伝熱シート１０をその間に介在させてもよい。ここで、熱伝導シート１０の材質は、グラファイト（黒鉛）、銅、銅合金や銀等の貴金属、セラミックス系の接着剤やパテ等の塗料等、耐熱性を有し熱伝導率の大きい材料を適用することが望ましい。また、熱電モジュール２と低温部材４との間についても、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１１や熱伝導シート１０をそれらの間に介在させてもよい。

以上説明したように、本発明の第１実施形態によれば、高温部材３に当接した熱電モジュール２が押圧荷重発生と熱膨張吸収の機能を有する押圧部材５とフレーム７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６を備え、熱電モジュール２に低温部材４が所定の力で押圧され、この押圧力により、高温部材３と熱電モジュール２との密着性が高められ、高温部材３と熱電モジュール２との接触熱抵抗の軽減が図られる。また、ナット５ｄはタイロッド５ｃの先端に形成されたねじ部５ｈにねじ込まれ、これによりナット５ｄの回転をスペーサ５ｂ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。さらに、運転時に高温部材３、熱電モジュール２および低温部材４からなる熱交換部と、タイロッド５ｃとの間に、熱膨張係数と温度分布の違いにより熱膨張差が発生し、スペーサ５ｂは、タイロッド５ｃよりも熱膨張係数の大きい材質、例えば銅合金であり、温度が上昇するに従ってタイロッド５ｃよりも大きな熱膨張量を示し、熱膨張差によるばね部材５ａの緩みを抑える。したがって、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６〜図８）］
本発明の第２実施形態について、図６、図７、および図８を参照して説明する。図６は本実施形態に係る熱電発電装置を示す断面図（図７のＣ−Ｃ線断面図）であり、図７は本実施形態に係る熱電発電装置の１ユニットを示す斜視図である。なお、基本的な構成は第１実施形態と同様であり、同一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６に示すように、第１実施形態のばね部材５ａが除去され、代わりに長尺のスペーサ５ｂで置き換えられている。すなわち、高温部材３、熱電モジュール２、および低温部材４とタイロッド５ｃとの間には、温度差により熱膨張差が発生するが、この熱膨張差と同等あるいはそれ以上の熱膨張差を発生するようにタイロッド５ｃに比べて熱膨張係数の大きいスペーサ５ｂを長尺にすることで、ばね部材５ａを組み込む必要がなくなる。すなわち、ばね部材５ａの締付量の管理が不要となり、作業性と構造信頼性が高まる。

図８は、本実施形態に係る熱電発電装置の全体構成を示している。図８に示すように、本実施形態では、熱電発電装置ユニットを３×４個、すなわち計１２個を高温部材３上に均等配置し、図示しない熱源からの輻射熱２１を高温部材３で受ける例を示している。このような本実施形態の構成によれば、熱電発電装置１の本体構成部材を製鉄所の高炉やガス焼却炉の周囲を始めとして、通常断熱壁で防御あるいは冷却している部分への設置が可能であるし、作業性もよい。

本実施形態によっても、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を有し、作業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９）］
本発明の第３実施形態について、図９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断面図である。なお、基本的な構成は第１実施形態と同様であり、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９に示すように、本実施形態に係る熱電発電装置１では、低温部材４とフレーム７との間にばね部材５ａが設けられ、このばね部材５ａが低温部材４、熱電モジュール２および高温部材３に対して直列に配置された構成となっている。すなわち、ばね部材５ａの内側にガイド６が挿入された状態となっている。

このような本実施形態の構成によれば、ばね部材５ａを低温部材４、熱電モジュール２および高温部材３に直列に配置したことで、ばね部材５ａによる押圧力を直接的にかつバランス良く熱電モジュール２に伝達することができ、熱電発電装置１についてａの性能に関する信頼性が高まる。

本実施形態によっても、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４実施形態（図１０）］
本発明の第４実施形態について、図１０を参照して説明する。図１０は本実施形態に係る熱電発電装置の断面図である。なお、基本的な構成は第１実施形態と同様であり、第１から第３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。本実施形態では、高温部材の前記高温媒体側に熱交換用のフィンが形成された構成について説明する。

具体的には、図１０に示すように、本実施形態の熱電発電装置１は高温部材３以外について、第１実施形態と同様の構成であるが、高温部材３の下面側にフィン１６が形成されている。このフィン１６を、高温流体が流通する配管や炉壁に開口部に向けて設置し、熱交換を行なうことで、高性能の発電が実現できる。

なお、高温部材３の形状は、例えば図３で示したように平板状としたが、このような形状に限られない。例えば、円形の曲率を与えることで、円形の配管に対しても適用できる。また、本実施形態装置を円周状または矩形状に複数配置接続することで、配管を形成し、高温流体が流通する配管に接続してもよい。

第４実施形態によっても、熱エネルギから電気エネルギへの効率よい変換を実現でき、高性能で構造信頼性と汎用性に優れた熱電発電装置を提供することができる。

以上の各実施形態で説明したように、本発明では好ましくは、フレームの少なくとも一方に熱膨張吸収手段を装備してタイロッドにより締結する。また、タイロッドよりも熱膨張係数の大きい材質からなるスペーサを、フレームとタイロッド先端部との間に介挿する。また、高温部材と熱電モジュールとの間に接触熱抵抗低減材を配設する。接触熱抵抗低減材の材質は黒鉛、銅、銅合金、銀、またはセラミックス系塗料のいずれかとする。低温部材と熱電モジュールとの間に接触熱抵抗低減材を配設する。接触熱抵抗低減材の材質はシリコングリースとし、タイロッドの材質はオーステナイト系ステンレス鋼または高ニッケル合金のいずれかとし、高温部材の材質はクロムモリブデン鋼、フェライト系ステンレス鋼、またはオーステナイト系ステンレス鋼のいずれかとする。

さらに、低温部材はエッチングにより加工された複数枚の板を積層させ、その内部に低温媒体流路が形成されるように構成し、拡散接合する。また、低温媒体の入口および出口を低温部材のいずれか一方の面に形成する。また、低温部材の材質はオーステナイト系ステンレス鋼、銅、または銅合金のいずれかとする。

本発明の第１実施形態による熱電発電装置を示す断面図。 本発明の第１実施形態による熱電発電装置のユニットを示す斜視図。 本発明の第１実施形態による熱電発電装置の低温部材を示す斜視図。 本発明の第１実施形態による熱電発電装置の熱電モジュールの流路構成を示す断面図。 本発明の第１実施形態による熱電発電装置を示す全体構成図。 本発明の第２実施形態による熱電発電装置を示す断面図。 本発明の第２実施形態による熱電発電装置を示すユニットの斜視図。 本発明の第２実施形態による熱電発電装置を示す全体構成図。 本発明の第３実施形態による熱電発電装置を示す断面図。 本発明の第４実施形態による熱電発電装置を示す断面図。

符号の説明

１…熱電発電装置、２…熱電モジュール、３…高温部材、４…低温部材、４ａ…低温媒体流路、５…押圧部材、５ａ…ばね部材、５ｂ…スペーサ、５ｃ…タイロッド、５ｄ…ナット、６…ガイド、６ａ…鍔上部分、７…フレーム、７ａ…貫通孔、８…継手、９…配管、１０…伝熱シート、１１…グリース、１４…断熱材、１５…低温媒体、１６…フィン。

Claims (6)

1. 高温媒体の熱エネルギを伝導する高温部材と、この高温部材の前記高温媒体とは反対の側に配置され、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挟持され、前記高温媒体と前記低温媒体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を組み込んだ熱電モジュールと、前記低温部材の前記高温媒体とは反対の側に配置されたフレームと、このフレームと前記高温部材との間を締結する複数本のタイロッドとを備えたことを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記低温部材、前記熱電モジュール、前記フレームおよび前記タイロッドを１ユニットとし、このユニットを複数配列した複数ユニットとして前記高温部材に設置した請求項１記載の熱電発電装置。
3. 前記タイロッドによる前記フレームと前記高温部材との締結手段として、接触部が線接触となる複数のばね部材を備えた請求項１記載の熱電発電装置。
4. 前記タイロッドによる前記フレームと前記高温部材との締結手段として、前記タイロッドよりも熱膨張係数が大きいスペーサを備えた請求項１記載の熱電発電装置。
5. 前記低温部材と前記フレームとの間にばね部材を設け、このばね部材を、前記低温部材、前記熱電モジュールおよび前記高温部材に対して直列に配置した請求項１記載の熱電発電装置。
6. 前記高温部材の前記高温媒体側に熱交換用のフィンが形成されている請求項１記載の熱電発電装置。

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