JP2010199363A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱発電モジュールに対する熱伝達を確実に行うと共に熱の損失を防止して高効率な発電が行え、しかも、多数の熱発電モジュールを用いても組み付けが容易であってコンパクトな熱発電装置を提供する。
【解決手段】
内部に低温媒体が流動する中央冷却体３と内部に高温媒体が流動する複数の加熱体４との間に第１熱発電モジュール６を設ける。各加熱体４と内部に低温媒体が流動する複数の外側冷却体５との間に第２熱発電モジュール７を設ける。中央冷却体３に連結ロッド８を一体に設ける。連結ロッド８は、加熱体４から離間した位置を通って締付部材９により中央冷却体３と各外側冷却体５とを締結し、各加熱体４に第１熱発電モジュール６及び第２熱発電モジュール７を圧接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱発電モジュールの高温側と低温側とに温度差を付与することにより熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電装置に関する。

熱発電モジュールは、周知のように、熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換素子が組み込まれており、高温側と低温側とに温度差を付与することによりゼーベック効果を利用して起電力を得るものである。

従来、熱発電モジュールを用いた熱電発電装置として、熱源である高温媒体を装置の中心部に設けた円筒状の加熱管に流通させ、その周囲に複数の熱発電モジュールを取り付けて構成されているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。これらの熱発電モジュールは、加熱管と冷却体との間に挟まれ、その外周から帯状の固定具を用いて押圧状態で固定されている。しかし、帯状の固定具により円周状に締め付けても、加熱管に対して全ての熱発電モジュールを均一に密着させることが困難であり、発電効率が低下する不都合があった。

そこで、加熱体の平坦な側壁に連結ロッドを一体に連設し、この連結ロッドに冷却体を締結して、加熱体と冷却体との間で熱発電モジュールを圧接挟持させるようにした熱電発電装置が提案されている（特許文献２参照）。

しかし、連結ロッドは加熱体と冷却体とを締結しているので、加熱体の熱が連結ロッドを介して冷却体に伝達され、熱の損失が大きいために熱発電モジュールによる発電効率が低い。また、一対の連結ロッドで締結される加熱体と冷却体との間には１つの熱発電モジュールが挟持されるので、多数の熱発電モジュールを設ける場合には、部品単数や組み付け工数が増加するだけでなく、装置が大型化する不都合がある。

特開２００６−２７０４号公報 特開２００８−９１４５３号公報

以上の点に鑑み、本発明は、熱発電モジュールに対する熱伝達を確実に行うと共に熱の損失を防止して高効率な発電が行え、しかも、多数の熱発電モジュールを用いても組み付けが容易であってコンパクトな熱電発電装置を提供することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本発明の熱電発電装置は、周方向に配設された互いに異なる方向に面する複数の平坦な第１冷却面を有して、内部に低温媒体が流動する中央冷却体と、一対の対向壁のそれぞれに前記第１冷却面に対向する平坦な第１加熱面とその反対側に平坦な第２加熱面とを有して四角筒状に形成され、内部に高温媒体が流動する複数の加熱体と、各加熱体の第２加熱面に対向する平坦な第２冷却面を有して、内部に低温媒体が流動する複数の外側冷却体と、前記中央冷却体の各第１冷却面に低温側の放熱面が密着し、各加熱体の第１加熱面に高温側の受熱面が密着して低温側と高温側との温度差により発電を行う複数の第１熱発電モジュールと、各外側冷却体の第２冷却面に低温側の放熱面が密着し、各加熱体の第２加熱面に高温側の受熱面が密着して低温側と高温側との温度差により発電を行う複数の第２熱発電モジュールとを備え、前記中央冷却体は、基端が該中央冷却体の第１冷却面側に一体に固着され且つ前記加熱体から離間した位置を通って各外側冷却体を連結する複数の連結ロッドと、各連結ロッドの先端部に螺合して各外側冷却体を前記中央冷却体に向かって押圧し、前記中央冷却体と各外側冷却体との間に、前記加熱体を介して第１熱発電モジュール及び第２熱発電モジュールを圧接状態で挟持させる締付部材とを備えることを特徴とする。

本発明の熱電発電装置によれば、前記中央冷却体の周囲に複数の加熱体を配し、更に各加熱体の外側に外側冷却体を設けて、中央冷却体と加熱体との間に第１熱発電モジュールを介在させ、加熱体と外側冷却体との間に第２熱発電モジュールを介在させる。これにより、複数の第１熱発電モジュールが１つの中央冷却体を共用することができ、装置構成をコンパクトとすることができる。

また、前記中央冷却体と前記外側冷却体とは前記連結ロッドを介して連結され、この連結ロッドは前記加熱体から離間した位置に設けられているので、加熱体の熱が連結ロッドに伝達されることが確実に防止される。これにより、加熱体の熱の損失が防止されてその熱を無駄なく発電に利用することができ、効率良く発電を行うことができる。

しかも、前記連結ロッドが前記中央冷却体に一体に設けられていることにより、中央冷却体を基礎として各熱発電モジュールと加熱体及び外側冷却体との組み付け作業が極めて容易に行えると共に、前記締結部材を締め付けるだけで、加熱体と各熱発電モジュールとを十分に圧接させることができる。

更に、前記連結ロッドは、その基端が中央冷却体の第１冷却面側に一体に固着されており、締結部材は外側冷却体側にのみ設ければ良いので、部品点数も少なく、多数の熱発電モジュールを備えていながら極めてコンパクトに構成することができる。

また、本発明の熱電発電装置において、前記熱発電モジュールの受熱面は矩形状に形成されており、前記加熱体における高温媒体の流動方向に直行する方向を幅方向としたとき、前記各加熱面の幅と各熱発電モジュールの受熱面の幅とが同じ寸法であることを特徴とする。例えば、前記加熱体内部で高温媒体に接する内面の幅と前記各加熱面の幅と同じ寸法とし、この加熱面の幅と熱発電モジュールの受熱面の幅とを同じ寸法とする。これによれば、余分な放熱を抑制して加熱体内部の高温媒体の熱を効率よく各加熱面に伝達でき、各熱発電モジュールの受熱面を効果的に加熱することができる。

また 本発明の熱電発電装置において、前記各第１熱発電モジュール、各第２熱発電モジュール及び各外側冷却体は、前記加熱体における高温媒体の流動方向の上流側から下流側に沿って複数配列されていることを特徴とする。これによれば、一層多くの熱発電モジュールを設けることができる。更に、各ユニット毎に作動温度の異なる熱発電モジュールを配設することもでき、加熱体の各位置から得られる熱を無駄なく用いて効率良く発電を行うことができる。

また、本発明の熱電発電装置において、前記加熱体は、高温媒体を流動させるための内部空間が上流側から下流側にかけて次第に狭くなる形状とされていることを特徴とする。これにより、高温媒体の速度がその上流側よりも下流側で大となり、高温媒体の温度低下に伴う加熱効率の低下を抑えて各加熱面間における温度分布を均一化することができる。

また、本発明の熱電発電装置において、前記中央冷却体及び前記外側冷却体の剛性は前記加熱体より高く、前記第１熱発電モジュール及び前記第２熱発電モジュールの剛性が最も低いことを特徴とする。各熱発電モジュールの剛性が最も低いことにより、各冷却面及び各加熱面に対して各熱発電モジュールの放熱面及び受熱面が比較的柔軟に隙間無く密着すると共に、第１冷却面の平坦度が確実に維持され、加熱面と熱発電モジュールの受熱面との接触熱抵抗を低減させて高い発電効率を得ることができる。しかも、中央冷却体及び外側冷却体の剛性が加熱体よりも高いことにより、連結ロッドにより外側冷却体をしっかりと中央冷却体に連結支持することができ、中央冷却体と外側冷却体との連結状態を精度良く維持して各熱発電モジュールの受熱面と加熱体の加熱面とを確実に密着させることができる。

また、本発明の熱電発電装置において、前記加熱体が、その内部を上下方向の一方から他方に向かって高温媒体を流動させるものであるとき、前記中央冷却体は、その下部に低温媒体の導入口を備え、上部に低温媒体の導出口を備えて、下方から上方へ向かって低温媒体を流動させることを特徴とする。これによれば、前記第１熱発電モジュールの低温側の冷却時に生じる低温媒体の対流を利用して中央冷却体の内部の低温媒体を円滑に流動させることができ、低温側の冷却を確実に行って高い発電効率を得ることができる。

また、本発明において、前記熱−電気変換半導体は、希土類元素、コバルト、ニッケル、鉄、ルテニウム、パラジウム、白金、アンチモン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、錫、シリコン、マンガン、亜鉛、ボロン、窒素、酸素、ガリウム、インジウム、バナジウム、ニオブ、バリウム、マグネシウム、クロム、タンタル、モリブデン、アルミのうち少なくとも３つ以上の元素から構成される熱エネルギを直接電気エネルギに変換する半導体であることが好ましい。また、前記熱発電モジュールは、前記熱−電気変換半導体が気密封止されていることが好ましい。これによれば、例えば、５００℃以上の高温に耐え得る熱発電モジュールを形成することができ、高温下で効率良く発電を行うことができる。

本発明の一実施形態の熱電発電装置を示す説明的側面図。 図１の熱電発電装置の縦断面図。 図１の熱電発電装置の横断面図 図４は中央冷却体の外観を示す斜視図、 他の実施形態の熱電発電装置の構成を示す説明図。

図１に示す本実施形態の熱電発電装置１は、図中仮想線で示した熱源機２の上部に連設され、熱源機２によって生成される熱エネルギを電気エネルギに変換して出力するものである。熱源機２は、図示しないが、バーナとファン装置とを備えており、バーナの燃焼により生成される比較的高温の燃焼排気を高温媒体として強制的に熱電発電装置１に供給する。

熱電発電装置１は、図１乃至図３に示すように、中央冷却体３と、この中央冷却体３の外側に設けられた一対の加熱体４と、この加熱体４の外側に設けられた複数の外側冷却体５とを備えている。そして、中央冷却体３と各加熱体４との間には第１熱発電モジュール６が設けられ、各加熱体４と各外側冷却体５との間には第２熱発電モジュール７が設けられている。

第１熱発電モジュール６と第２熱発電モジュール７とは共に所定厚さの矩形板状をなした同一形状であり、一方の矩形状の面が低温側の放熱面ｃとされ、他方の矩形状の面が高温側の受熱面ｈとされている。熱発電モジュール６，７は、熱エネルギを電気エネルギに変換する図示しない熱−電気変換半導体が組み込まれたものであり、受熱面ｈから熱を受けた高温側と放熱面ｃで冷却された低温側との温度差により発電を行う。

熱発電モジュール６，７に組み込まれる熱−電気変換半導体は、希土類元素、コバルト、ニッケル、鉄、ルテニウム、パラジウム、白金、アンチモン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、錫、シリコン、マンガン、亜鉛、ボロン、窒素、酸素、ガリウム、インジウム、バナジウム、ニオブ、バリウム、マグネシウム、クロム、タンタル、モリブデン、アルミのうち少なくとも３つ以上の元素から構成される熱エネルギを直接電気エネルギに変換する半導体であることが好ましい。更に、熱発電モジュール６，７は、熱−電気変換半導体と大気との化学反応を抑制する気密封止タイプのものであることが好ましい。このような熱発電モジュールとしては、例えば、株式会社東芝製の商品名「ＧＩＧＡ ＴＯＰＡＺ」（登録商標）を用いることができる。

これらの熱発電モジュール６，７は、中央冷却体３及び加熱体４に対して横方向に複数配設されているだけでなく、中央冷却体３及び加熱体４に対して高さ方向に（即ち、加熱体における高温媒体の流動方向の上流側から下流側に沿って）複数配設されている。

中央冷却体３は、図２及び図３に示すように、内部に低温媒体を流動させる流路３ａが形成されており、図１及び図４に示すように、流路３ａに低温媒体を導入する導入口３ｂを下方側部に備え、流路３ａから低温媒体を導出する導出口３ｃを上方側部に備えている。導入口３ｂ及び導出口３ｃには図示しない冷却水供給手段が接続されており、冷却水供給手段により生成される冷水が中央冷却体３の内部に強制的に供給される。導入口３ｂを下方に、導出口３ｃを上方に配したことで、第１熱発電モジュール６の冷却時に暖められた冷却水に生じる対流を利用して中央冷却体３の内部の冷却水を円滑に流動させることができる。これにより、確実な冷却作用を得て高い発電効率を得ることができるだけでなく、例えば、冷却水供給手段に備えるポンプの負荷を軽減することができる。

また、中央冷却体３は、図４に示すように、互いに対向する一対の側壁３ｄのそれぞれの外側面に複数の平坦な第１冷却面３ｅが形成されている。第１冷却面３ｅには、第１熱発電モジュール６の放熱面ｃが当接する。各第１冷却面３ｅの両側には連結ロッド８が一対ずつ設けられている。各連結ロッド８は、その基端が中央冷却体３の側壁３ｄに固着されている。なお、連結ロッド８はその基端を中央冷却体３の側壁３ｄに埋め込み溶接等により強固に固定しておくのが最も好ましいが、連結ロッド８の基端にネジ部を設けて中央冷却体３の側壁に螺着することにより固定してもよい。更に、連結ロッド８の先端部にはネジ部８ａを備えており、このネジ部８ａに、後述するナット９（締付部材）が螺合可能とされている。また、図３に示すように、連結ロッド８は、加熱体４から離間した位置に設けられている。

加熱体４は、図２に示すように、内部が中空の四角筒状に形成されており、その下端が前記熱源機２の内部に連通することにより高温媒体である燃焼排気が内部を下方から上方に向かって流動する。加熱体４の周壁は、この燃焼排気により加熱され高温となる。加熱体４を構成する一対の対向する側壁４ａ（対向壁）のそれぞれの外側面には、複数の平坦な第１加熱面４ｂと第２加熱面４ｃとが形成されている。第１加熱面４ｂには、第１熱発電モジュール６の受熱面ｈが当接し、第２加熱面４ｃには、第２熱発電モジュール７の受熱面ｈが当接する。

また、加熱体４は、下方から上方にかけて内部空間が次第に狭くなる複数の筒状体が積み上げられ互いに接合部４ｄを介して一体に形成されている。これによれば、加熱体４の内部空間は、上流側から下流側にかけて次第に狭くなる形状となる。このため、燃焼排気の速度が加熱体４の内部の上流側よりも下流側で大となり、燃焼排気の温度低下に伴う加熱効率の低下を抑えて各加熱面間における温度分布を均一化することができる。

更に、図２及び図４に示すように、加熱体４の形状に対応して前記中央冷却体３の外形も、下方から上方にかけて第１冷却面３ｅ毎に段差を介して次第に厚みが増加する形状とされている。これにより、中央冷却体３の第１冷却面３ｅと加熱体４の第１加熱面４ｂとは平行とされ、その間に第１熱発電モジュール６を確実に密着させることができる。

更に、図３に示すように、加熱体４における燃焼排気の流動方向に直行する方向を幅方向としたとき、各加熱面４ｂ，４ｃは、加熱体４の燃焼排気に接する内面の幅と同じに設定されており、各加熱面４ｂ，４ｃの幅は、各熱発電モジュール６，７の受熱面ｈの幅と同じ寸法に形成されている。これにより、各加熱面４ｂ，４ｃからの余分な放熱を抑制して各熱発電モジュール６，７の受熱面ｈを効果的に加熱することができる。

外側冷却体５は、図２及び図３に示すように、加熱体４の各第２加熱面４ｃに対向する側に平坦な第２冷却面５ａが形成されている。この第２冷却面５ａには、第２熱発電モジュール７の放熱面ｃが当接する。また、外側冷却体５は、その内部に低温媒体を流動させる流路５ｂが形成されており、流路５ｂに低温媒体を導入する導入口５ｃと、流路５ｂから低温媒体を導出する導出口５ｄとが設けられている。導入口５ｃ及び導出口５ｄは、前述の中央冷却体３と同様に図示しない冷却水供給手段に接続され、冷却水供給手段により生成される冷水が低温媒体として外側冷却体５の内部に強制的に供給される。

また、第２冷却面５ａの両側には前記中央冷却体３から延びる一対の連結ロッド８が貫通する一対の貫通孔が形成されている。そして、図１乃至図３に示すように、外側冷却体５の貫通孔に挿通した連結ロッド８のネジ部８ａにナット９を螺着することにより、中央冷却体３と外側冷却体５とが締結され、その間に、第１熱発電モジュール６、加熱体４、及び第２熱発電モジュール７が互いに密着して挟み込まれた状態となる。このとき、ナット９と外側冷却体５との間にはバネ部材１０が設けられており、ナット９の締付量を適度に維持して熱発電モジュール６，７の加熱体４への圧接力を付与している。

また、中央冷却体３、外側冷却体５及び加熱体４は、熱伝導性の高い金属により形成され、中央冷却体３及び外側冷却体５の剛性が最も高く、それに次いで加熱体４の剛性が高く、熱発電モジュール６，７の剛性が最も低い。中央冷却体３、外側冷却体５及び加熱体４の各合成バランスは、材料種、側壁の厚み寸法、或いは内部構造等により設定することが可能であり、何れも外力による撓みや歪が生じないものとする。

各熱発電モジュール６，７の剛性が最も低ければ、各冷却面３ｅ，５ａ及び各加熱面４ｂ，４ｃに対して各熱発電モジュール６，７の放熱面ｃ及び受熱面ｈが比較的柔軟に隙間無く密着すると共に、第１冷却面３ｅの平坦度が確実に維持され、加熱面４ｂ，４ｃと熱発電モジュール６，７の受熱面ｈとの接触熱抵抗を低減させて高い発電効率を得ることができる。そして、中央冷却体３及び外側冷却体５の剛性が最も高ければ、連結ロッド８を介して中央冷却体３に外側冷却体５を確実に固定支持することができ、中央冷却体３と外側冷却体５との連結状態を精度良く維持して各熱発電モジュール６，７の受熱面ｈと加熱体４の加熱面４ｂ，４ｃとを確実に密着させることができる。

そして、以上の構成による熱電発電装置１によれば、中央冷却体３を介して対向する位置に２つの加熱体４を配し、更にその外側に外側冷却体５を設けると共に、中央冷却体３と加熱体４と外側冷却体５とのそれぞれの間に熱発電モジュール６，７を介在させたので、複数の第１熱発電モジュール６を１つの中央冷却体３により冷却することができ、コンパクトな構成とすることができる。

また、前記連結ロッド８は中央冷却体３と外側冷却体５とを連結しており、加熱体４から離間しているので、加熱体４の熱が連結ロッド８に伝達されることがなく、加熱体４の熱の損失を防止することができる。しかも、連結ロッド８は、中央冷却体３に一体に設けられていることにより、中央冷却体３を基礎として連結ロッド８に外側冷却体５を連結するだけで各熱発電モジュール６，７と加熱体４及び外側冷却体５とを組み付けることができ、その作業が極めて容易に行える。更に、連結ロッド８に螺着したナット９をバネ部材１０を介して締め付けるだけで、加熱体４と各熱発電モジュール６，７とを十分に圧接させることができる。

なお、本実施形態においては、中央冷却体３の一対の対向する側壁のそれぞれに第１冷却面３ｅを設け、各第１冷却面３ｅに第１加熱面４ｂが対向するようにして２つの加熱体４を設けたものを示したが、これに限るものではない。他の実施形態として、例えば、図５に示すように、中央冷却体１１を横断面視正方形状の筒状に形成し、その４つの周壁１１ａのそれぞれに異なる方向に面する第１冷却面１１ｂを設けて、各第１冷却面１１ｂに第１熱発電モジュール６を介して４つの加熱体４を配設し、そのそれぞれの外側に第２熱発電モジュール７を介して外側冷却体５を設けることができる。これによれば、１つの中央冷却体３で４つの第１熱発電モジュール６を冷却することができる。

或いは、図示しないが、中央冷却体を横断面視正六角形や正八角形の多角筒状に形成し、その周壁に、周方向に多数の第１冷却面を設け、これらの第１冷却面毎に対応させ、第１熱発電モジュール、加熱体、第２熱発電モジュール、及び外側冷却体をそれぞれ多数設けて構成することもできる。これによれば、比較的コンパクトに構成してより多くの熱発電モジュールを設けることができる。

１…熱電発電装置、３，１１…中央冷却体、３ｂ…導入口、３ｃ…導出口、３ｅ，１１ｂ…第１冷却面、４…加熱体、４ａ…側壁（対向壁）、４ｂ…第１加熱面、４ｃ…第２加熱面、５…外側冷却体、５ａ…第２冷却面、６…第１熱発電モジュール、７…第２熱発電モジュール、ｃ…放熱面、ｈ…受熱面、８…連結ロッド、９…ナット（締付部材）。

Claims (8)

1. 周方向に配設された互いに異なる方向に面する複数の平坦な第１冷却面を有して、内部に低温媒体が流動する中央冷却体と、
   一対の対向壁のそれぞれに前記第１冷却面に対向する平坦な第１加熱面とその反対側に平坦な第２加熱面とを有して四角筒状に形成され、内部に高温媒体が流動する複数の加熱体と、
   各加熱体の第２加熱面に対向する平坦な第２冷却面を有して、内部に低温媒体が流動する複数の外側冷却体と、
   前記中央冷却体の各第１冷却面に低温側の放熱面が密着し、各加熱体の第１加熱面に高温側の受熱面が密着して低温側と高温側との温度差により熱エネルギを電気エネルギに変換する熱−電気変換半導体を組み込んだ複数の第１熱発電モジュールと、
   各外側冷却体の第２冷却面に低温側の放熱面が密着し、各加熱体の第２加熱面に高温側の受熱面が密着して低温側と高温側との温度差により熱エネルギを電気エネルギに変換する熱−電気変換半導体を組み込んだ複数の第２熱発電モジュールとを備え、
   前記中央冷却体は、基端が該中央冷却体の第１冷却面側に一体に固着され且つ前記加熱体から離間した位置を通って各外側冷却体を連結する複数の連結ロッドと、
   各連結ロッドの先端部に螺合して各外側冷却体を前記中央冷却体に向かって押圧し、前記中央冷却体と各外側冷却体との間に、前記加熱体を介して第１熱発電モジュール及び第２熱発電モジュールを圧接状態で挟持させる締付部材とを備えることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記熱発電モジュールの受熱面は矩形状に形成されており、
   前記加熱体における高温媒体の流動方向に直行する方向を幅方向としたとき、前記各加熱面の幅と各熱発電モジュールの受熱面の幅とが同じ寸法であることを特徴とする請求項１記載の熱電発電装置。
3. 前記各第１熱発電モジュール、各第２熱発電モジュール及び各外側冷却体は、前記加熱体における高温媒体の流動方向の上流側から下流側に沿って複数配列されていることを特徴とする請求項１又は２記載の熱電発電装置。
4. 前記加熱体は、高温媒体を流動させるための内部空間が上流側から下流側にかけて次第に狭くなる形状とされていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の熱電発電装置。
5. 前記中央冷却体及び前記外側冷却体の剛性は前記加熱体より高く、前記第１熱発電モジュール及び前記第２熱発電モジュールの剛性が最も低いことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の熱電発電装置。
6. 前記加熱体が、その内部を上下方向の一方から他方に向かって高温媒体を流動させるものであるとき、
   前記中央冷却体は、その下部に低温媒体の導入口を備え、上部に低温媒体の導出口を備えて、下方から上方へ向かって低温媒体を流動させることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の熱電発電装置。
7. 前記熱−電気変換半導体は、希土類元素、コバルト、ニッケル、鉄、ルテニウム、パラジウム、白金、アンチモン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、錫、シリコン、マンガン、亜鉛、ボロン、窒素、酸素、ガリウム、インジウム、バナジウム、ニオブ、バリウム、マグネシウム、クロム、タンタル、モリブデン、アルミのうち少なくとも３つ以上の元素から構成される熱エネルギを直接電気エネルギに変換する半導体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
8. 前記熱発電モジュールは、前記熱−電気変換半導体が気密封止されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱電発電装置。

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