JP2009268282A - 排熱利用の発電方法と発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の排熱利用は熱交換による湯沸し、温風の取り出しであったが、本発明はこれら以外の活用をも開発することにある。
【解決手段】 排熱機器の排熱経路にペルチェ素子を取り付け、この排熱経路内を流れる排熱によりペルチェ素子内側面を加熱し外面を外気で冷却して、内外両面に温度差を持たせて、ペルチェ素子のゼーベック効果で発電させる方法及び装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は暖房器具、給湯器といった熱を排出する各種機器（排熱機器）からの排熱を 利用して発電でき、発電のみならず熱交換器による排熱回収もできる、排熱利用の発電 方法及び発電装置に関するものである。

近年、地球温暖化による環境破壊が進み、地球環境の保全が世界的かつ喫緊の課題と なっており、これを背景に、温室効果ガスの削減目標を各国で定めた京都議定書が１９ ９７年に締結されている。環境破壊の原因は、天然木の乱伐、工場の排出ガス、自動車 の排気ガスなど種々あり、室内暖房用ボイラ、湯沸用ボイラ、暖房機器等など公共施設 や家庭用の暖房機器から排出される排気熱等も一因となっている。また、これらボイラ 、暖房機器等からの排熱は100℃〜300℃もの高温であるため、それが大気中に放散さ れることは、環境破壊の一因となっているだけでなく、燃料（資源）やエネルギーの無 駄にもなっている。そこで、近年ではこれら排熱を有効に利用するための方法や装置の 開発が盛んになっている。それらの一例として特許文献１、２記載のようなものがあっ た。

特開２００６−１２５６７３号公報 特開２００６−３００３６５号公報

特許文献１、２は排熱を熱交換機による回収を主とするものであり、例えば、温水、 温風等として利用するものであるため、利用分野に限りがあった。本発明の課題は前記 利用以外の排熱利用を開発することにある。

本発明はボイラ、暖房機器等からの排熱を有効活用することにより地球環境の保全に 貢献でき、資源の有効活用を通じて省エネにも寄与できる発電方法とその発電装置を提 供するものである。

本発明の排熱利用の発電方法は、請求項１記載のように、排熱機器の排熱経路にペルチェ素子を取り付け、ペルチェ素子の排熱経路側面を排熱によって加熱し、ペルチェ素子の反対側面を冷却して、ペルチェ素子の内外面に生じる温度差を利用して発電させる発電方法である。この場合、請求項２記載のように、ペルチェ素子が取り付けられた排熱経路の一又は二以上の箇所に熱交換器を配置し、これら熱交換器に供給される冷媒と前記排熱経路内を通る排熱との間で熱交換を行って、加熱された冷媒を熱交換器から取り出すことができる。

本発明の排熱利用の発電装置は、請求項３記載のように、排熱機器の排熱経路にペルチェ素子を取り付け、ペルチェ素子はその排熱経路側面が排熱経路内を通る排熱で加熱されるように排熱経路の内側に向けて配置され、反対側面が冷却できるように排熱経路の外側に向けて配置されて、ペルチェ素子の内外面に発電に必要な温度差が作り出されるようにした装置である。請求項４記載のように、前記装置において、ペルチェ素子が取り付けられた排熱経路の一又は二以上の箇所に熱交換器が配置され、これら熱交換器はそれに供給される冷媒と前記排熱経路内を通る排熱との間で熱交換を行って、加熱された冷媒を取り出すことができるものとすることができる。請求項５記載のように、排熱経路にその内部の排熱を排出口側に引き出す排出ファンを設けることもできる。請求項６記載のように、排熱経路の上流側に、排熱経路内の排熱の排出異常時にその排熱を外部に放出できる異常時吐出口を設けることもできる。請求項７記載のように、排熱経路に取り付けられたペルチェ素子は排熱経路と反対側面に放熱フィンを取り付けることもできる。

本発明の排熱利用の発電方法は次のような効果がある。
（１）排熱経路内を通って排出される排熱を有効利用して発電するので、発電のための エネルギー、例えば燃料が不要となって省エネができ、従来のエネルギー費にかか る発電コストが削減され、経済的である。
（２）高温排熱を冷却することにより大気へ放出される排気温度が低くなり、排気中の NOｘ、SOｘが除去されるので、大気中へのNOｘ、SOｘの排出量が低減し、環境破壊 が抑制される。
（３）一つの排熱機器からの排熱で、発電のみならず、湯沸かし、熱交換、排気の冷却 も同時に行うことができるので、排熱を多用途に有効利用できる。

本発明の排熱利用の発電装置は次のような効果がある。
（１）排熱管の外周面にペルチェ素子を取り付ける構成であるため、発電装置が小型、 簡潔になり、導入コストも安価である。
（２）排熱管へのペルチェ素子の取り付け位置は選定自在であるため、ペルチェ素子を 排熱機器近くに取り付けて、内面が排熱で加熱され外面が大気で冷却されるペルチ ェ素子の内・外面の温度差を大きくすることができ、効率の良い発電を行なうこと ができる。
（３）発電後の排熱を利用して湯を沸かすことができ、室内の床暖房、ルーフヒーティ ング、ロードヒーティングや風呂への供給等に利用することもできるため、排熱を 多用途に有効活用できる。

（実施形態１）
本発明の排熱利用の発電方法及び発電装置の一実施形態を図１に基づいて説明する。 この実施形態は農業用ハウス、住宅、工場、公共施設といった各種施設１の湯沸し器、 ボイラ等の熱を排出する排熱機器２から排熱経路３に排出される排熱を利用する発電方 法及び装置の一例である。

図１では排熱経路３の排熱機器２側から出口４側に順に、異常時吐出口５、ペルチェ 素子を利用した発電装置（ペルチェ発電装置）６、第１の熱交換器７、排出ファン８、 第２の熱交換器９が取り付けられている。

図１のペルチェ発電装置６は図２（ａ）〜（ｃ）に示すように四つのペルチェ素子１ ０がアルミ製の基体１１に取り付けられている。基体１１は角柱状であり、内部に数本 の仕切り（補強材）１２が設けられている。基体１１の四側面に配置されたペルチェ素 子１０は、その外側にはアルミ製の放熱フィン１３が重ねられ、その放熱フィン１３を 基体１１にネジ止めすることで基体１１と放熱フィン１３の間に挟まれて固定されてい る。放熱フィン１３は外気との接触面積を大きくして冷却効率を高めるためのものであ る。

基体１１の二方には連結パイプ１４（図２（ｃ）（ｄ））が基体１１の内部空間に連 通して連結されており、この連結パイプ１４を排熱経路３（図１）に差し込んで連結す ることによりペルチェ発電装置６を排熱経路３に取付け可能としてある。

ペルチェ素子１０は既存のものであってもよく、本発明のために開発された専用のも のであってもよいが、内面と外面の温度差が所定温度以上になるとゼーベック効果によ り発電する機能を備えたものを使用する。ペルチェ素子の発電に必要な内・外面の温度 差は小さい方が好ましいが、例えば５０℃〜６０℃程度で発電するものが望ましい。
夫々のペルチェ素子１０にはリード線が連結されており、発電された電気を取り出す ことができるようにしてある。取り出される電気は直流であり、図１のインバータ１５ を介して交流に変換し、室内照明１６（図１）などの電気製品に利用することができる 。一個のペルチェ素子１０の発電量が４０Wの場合、四個のペルチェ素子１０が組み込 まれた図２（ａ）〜（ｃ）のペルチェ発電装置６の発電量は４０W×４＝１６０Wとな る。

排熱経路３に排出される排気の排熱温度は排熱機器２によっても異なるが、例えば湯 沸かし用のボイラの場合は１００℃〜３００℃程度である。外気温は施設１の設置地域 や設置場所によっても異なるが、例えば北海道では春や秋は数℃程度、夏は二十数度程 度、冬期は氷点下になるため、ペルチェ素子１０の内外面の温度差は、通年６０℃以上 に確保できる。温度差を６０℃以上に確保できる地域は北海道以外にもある。温度差が ６０℃以上になるとペルチェ素子１０のゼーベック効果により発電され、温度差６０℃ 以上に確保されている間は発電が継続される。ペルチェ発電装置６によって発電された 電気は、蓄電器に蓄えて必要とする時に随時利用することもできる。

図１の第１の熱交換器７及び第２の熱交換器９では、排気が通過する際に抵抗を受け るため、排熱経路３の排気が滞留し易く円滑に流通しにくい傾向にあるため、図１の排 熱経路３に排気ファン８を取り付けて、排気ファン８により排熱経路３内の排気を吸引 して排熱経路の出口４側に排出し、排熱経路３内の排気の流通を円滑にすることができ るようにしてある。

図１の異常時吐出口５は、排熱経路３内の途中で排気の流通が阻害され、排熱経路３ 内に排気が充満した場合に、排気が室内側に逆流するのを防止するものである。異常時 吐出口５には蓋１７が取り付けられており、正常排気時は蓋１７が閉じているため異常 時吐出口５から排気が排出されることはないが、排熱経路３内に排気が充満すると前記 蓋１７が自動的に開いて異常時吐出口５からも排気されるようにしてある。蓋１７の開 閉手段は各種あるが、例えば排熱経路３内に排気が充満して排熱経路３内が一定以上の 圧力になり、その圧力で前記蓋１７が開いたり、排熱経路３内の圧力を圧力センサで感 知して所定圧力以上になると駆動機構が作動して開いたりするようにすることも出来る 。

図１の排熱利用の発電装置では、前記発電と同時に第１の熱交換器７、第２の熱交換 器９により排熱利用することができる。第１の熱交換器７は排熱経路３内を通過する排 熱により熱交換器７に流入する水を沸かして温水（湯）にすると同時に排熱を冷却する ものである。湯は給湯器や風呂場に送り込んで床暖房、ルーフヒーティング１８、セン トラルヒーティング１９等の暖房器具に利用したり、ロードヒーティング２０、屋根や 庭の融雪等に利用したりすることができる。熱交換器７に供給するものは水に限らず他 の液体や気体であってもよい。気体の場合は排熱で加熱された気体を取り出すことがで きる。

図１の第１の熱交換器７は既存のものでも本発明のために開発された新規なものでも よい。一例として図１に示すものは図３に示す熱交換モジュール２１を図４（ａ）〜（ ｃ）のように上下に複数個積層してある。夫々の熱交換モジュール２１は円形リング状 のケース２２内にフレキシブルパイプ２３が渦巻き状に巻かれて配置され、その両端が ケース２２の外に突設しているガイドパイプ２４に連結されている。フレキシブルパイ プ２３はケース２２の表側と裏側の開口面に十字状に配置固定した細長の支持材２５で 支持されてケース２２から脱落しないようにしてある。フレキシブルパイプ２３は排熱 の回収効率を高めるため熱伝導性に優れた材質製のものが好ましく、また、排気中の耐 食性ガス（NOｘ、SOｘ）を冷却凝縮し硝酸／硫酸として回収するため耐腐食性に優れた ものが望ましい。その材質の例としてはステンレス、チタン等がある。

排気ガスには、通常、NOｘ、SOｘ等の腐食性成分が含まれており、その排気ガスを６ ０℃以下に冷却するとNOｘ、SOｘが凝縮されて硫酸液、硝酸液となる。これらは熱交換 器を腐食損傷することから、従来は６０℃以下に冷却することは難しかったが、熱交換 器７のフレキシブルパイプ２３をステンレス製、チタン製といった耐腐食性に優れた素 材にすることにより耐腐食性が高まるため、この実施形態では排気を６０℃以下に冷却 することができ、このとき発生する硫酸液、硝酸液は図１、図４のドレイン２６から排 出される。

図４のように積層された熱交換モジュール２１のガイドパイプ２４は、図４（ａ）の ように連結パイプ２７により直列に連結したり、図４（ｂ）のように熱交換モジュール ２１を二つずつ連結パイプ２７で直列に連結して一組とし、それを数組積層（パラレル 配列）したり、図４（ｃ）のように積層した熱交換モジュール２１の入口側と出口側の ガイドパイプ２４を二本のヘッダー管２８、２９で並列に連結することもきる。

図４（ａ）のように直列連結した場合は最下段のガイドパイプ２４っから水を流入す ると、最上段のガイドパイプ２４から取り出される前記水は排熱経路３内を通過する排 気（例えば１４０℃）により流入前よりも高温に加熱されて温水（例えば２５℃から５ ０℃）になり、前記排気は通過前よりも低温（例えば６０℃程度）になる。図４（ｂ） のように二組に並列に積層した場合は、夫々の組の下段のガイドパイプ２４から水を流 入させ、夫々の組の最上段のガイドパイプ２４から取り出し、その間に、第１組に流入 した水は流入前より高温に加熱され（例えば２５℃から４０℃）、同様に第２組に流入 した水は流入前より高温に加熱され（例えば６５℃から７５℃）、排熱経路３内を通過 する排気（例えば１４０℃）を冷却して６０℃程度まで下げることができる。図４（ｃ ）のように二本のヘッダー管２８、２９で並列に連結した場合は、入口側ヘッダー管２ ８から水を流入させ、出口側ヘッダー管２９から取り出し、その間に、流入した水は流 入前より高温に加熱され（例えば２５℃から３５℃）、排熱経路３内を通過する排気（ 例えば１４０℃）は通過前より低温（例えば６０℃程度まで）に下げることができる。 この場合は全ての熱交換モジュール２１が並列に使用されるので冷気供給容量を多くす ることができる。図４（ａ）〜（ｃ）のいずれの連結方式の場合も、熱交換モジュール ２１の積層数は必要に応じて選択することができる。

図１の第２の熱交換器９は、排熱と熱交換器９に流入する外気との間で熱交換を行い 、排熱回収を行い、排熱を冷却すると同時に前記外気に熱を加え温風をつくりだすもの である。熱交換器９で温風となったものは、空調機器３０（図１）やヒートポンプに利 用される。

第２の熱交換器９も既存のものでも本発明のために開発された専用のものでもよい。 一例として図５（ａ）〜（ｆ）に示すものは３個の熱交換モジュール３１（図５（ｄ） ）を上下に積層してケース３２（図５（ａ）（ｂ））内に収容したものである。各熱交 換モジュール３１は一つの四角い周枠３３（図５（ｅ））内にアルミ製波板状のフィン ３４、３５を縦向きと横向きに交互に配置して、気体が縦向き、横向きいずれの方向で も通過できるようにしてある。この熱交換モジュール３１の積層数も必要に応じて選択 することができる。フィン３４、３５の材質はアルミに限らず、耐腐食性に優れたＳＵ Ｓ、チタン等にすることも出来るが、熱交換器の取り付け箇所が排熱経路３のうち６０ ℃程度の排熱（NOｘ、SOｘが除去された排熱）が通過する部分で使用する場合は耐腐食 性については格別配慮する必要はない。

図１の発電装置では、第１の熱交換器７から排出された排気（例えば６０℃）は排出 ファン８の作動で第２の熱交換器９に送られる。この場合、第２の熱交換器９の入口３ ６から例えば１０℃程度の冷たい外気を導入すると、前記６０℃程度の排熱は冷却され て３５℃程度と２０℃程度に低下させることができ、このうちの３５℃程度の排気は施 設１（図１）内の空調機器３０（図１）やヒートポンプに送って再利用し、２０℃程度 の排気は出口４（図１）から大気に放出することができる。

前記したペルチェ発電装置での発電量が不足する場合は、別途用意した補助発電装置 と併用して、必要量の発電を行なうこともできる。

１４０℃〜３００℃程度の排熱の熱量分布は、通常は図６（ａ）（ｂ）のように高温 域よりも低温域の方が多い。従前の排熱利用は図６（ａ）の高温域の排熱利用であった ため利用熱量は少なかったが、本発明では排熱を多段に利用して前記例のように６０℃ 程度の排熱をも利用するので、図６（ｂ）のように熱量の多い低温域を有効利用でき、 大量の熱交換が可能となり、排熱の多くが活用され、無駄が殆どない。

図１はペルチェ発電装置を一つ、熱交換器を二つ使用した例であるがペルチェ発電装 置は二以上、熱交換器は一つ又は三つ以上使用することも出来る。それらの配置も排熱 経路の所望位置とすることができ、ペルチェ発電装置、熱交換器の特性、構造、機能等 も適宜選定できる。

本発明の排熱利用の発電方法及び発電装置は、住宅、農業用ハウス、公共施設のほか 、工場、発電所、温泉などの大量かつ高温の熱を排出するあらゆる施設で利用すること ができ、飛行機、船舶、電車や自動車などの輸送機器の排熱を利用することもできる。 本発明の排熱利用の発電方法及び発電装置で得られた電気、湯、温風、冷風などは、必 要とする各種分野に利用可能である。

本発明の排熱利用の発電方法及び発電装置の実施形態の一例を示す全体図。 （ａ）〜（ｄ）は本発明におけるペルチェ発電装置の一例を示す説明図。 図１に示す第１の熱交換器の熱交換モジュールの一例を示す斜視図。 （ａ）〜（ｃ）は図１に示す第１の熱交換器の積層連結例を示す説明図。 （ａ）〜（ｆ）は図１に示す第２の熱交換器の分解説明図。 （ａ）は従来の排熱利用の利用温度と熱量の説明図、（ｂ）は本発明の排熱利用の利 用温度と熱量の説明図。

符号の説明

１ 農業用ハウス、住宅、工場、公共施設、等の施設
２ 排熱機器
３ 排熱経路
４ 排熱経路の出口
５ 異常時吐出口
６ ペルチェ発電装置
７ 第１の熱交換器
８ 排出ファン
９ 第２の熱交換器
１０ ペルチェ素子
１１ 基体
１２ 仕切り（補強材）
１３ 放熱フィン
１４ 連結パイプ
１５ インバータ
１６ 室内照明
１７ 異常時吐出口の蓋
１８ ルーフヒーティング
１９ セントラルヒーティング
２０ ロードヒーティング
２１ 第１の熱交換モジュール
２２ ケース
２３ フレキシブルパイプ
２４ ガイドパイプ
２５ 支持材
２６ ドレイン
２７ 連結パイプ
２８，２９ ヘッダー管
３０ 空調機器
３１ 第２の熱交換モジュール
３２ モジュールのケース
３３ モジュールの周枠
３４，３５ フィン
３６ 第２の熱交換器の入口

Claims (7)

1. 排熱機器の排熱経路にペルチェ素子を取り付け、ペルチェ素子の排熱経路側面を排熱によって加熱し、ペルチェ素子の反対側面を冷却して、ペルチェ素子の内外面に生じる温度差を利用して発電させることを特徴とする排熱利用の発電方法。
2. 請求項１記載の排熱利用の発電方法において、ペルチェ素子が取り付けられた排熱経路の一又は二以上の箇所に熱交換器を配置し、これら熱交換器に供給される冷媒と前記排熱経路内を通る排熱との間で熱交換を行って、加熱された冷媒を熱交換器から取り出すことを特徴とする排熱利用の発電方法。
3. 排熱機器の排熱経路にペルチェ素子を取り付け、ペルチェ素子はその排熱経路側面が排熱経路内を通る排熱で加熱されるように排熱経路の内側に向けて配置され、反対側面が冷却できるように排熱経路の外側に向けて配置されて、ペルチェ素子の内外面に発電に必要な温度差が作り出されるようにしたことを特徴とする排熱利用の発電装置。
4. 請求項３記載の排熱利用の発電装置において、ペルチェ素子が取り付けられた排熱経路の一又は二以上の箇所に熱交換器が配置され、これら熱交換器はそれに供給される冷媒と前記排熱経路内を通る排熱との間で熱交換を行って、加熱された冷媒を取り出すことができることを特徴とする排熱利用の発電装置。
5. 請求項３又は請求項４記載の排熱利用の発電装置において、排熱経路にその内部の排熱を排出口側に引き出す排出ファンを設けたことを特徴とする排熱利用の発電装置。
6. 請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の排熱利用の発電装置において、排熱経路の上流側に異常時吐出口が設けられ、異常時吐出口は排熱経路内の排熱の排出異常時にその排熱を外部に放出することができることを特徴とする排熱利用の発電装置。
7. 請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の排熱利用の発電装置において、排熱経路に取り付けられたペルチェ素子は排熱経路と反対側面に放熱フィンが取り付けられたことを特徴とする排熱利用の発電装置。

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