JP2010200520A - 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る熱発電装置を提供する。
【解決手段】内部に高温媒体が流動する四角筒状の加熱体３と、内部に低温媒体が流動する一対の冷却体４と、各冷却体４の外側に配置された押え部材６とを設け、加熱体３と冷却体４との間に熱発電モジュール５を設ける。加熱体３の第２側壁３ｂの外側から離間した位置に連結ロッド７を設け、連結ロッド７により押え部材６同士を互いに締結する。熱発電モジュール５の受熱面５ａは矩形状であり、加熱体３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、加熱体３の第２側壁３ｂの幅寸法を、加熱体３の第１側壁３ａの幅寸法より小とする。
【選択図】図２

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。

特開２００６−２７０４号公報 特開２００８−９１４５３号公報

上記の点に鑑み、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る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、互いに対向する一対の第１側壁と両第１側壁の対向方向に直行して互いに対向する第２側壁とによって四角筒状に形成され、その内部に高温媒体が流動することにより各第１側壁の外面が加熱面とされる加熱体と、該加熱体の各第１側壁の外側に対向して設けられ、内部に低温媒体が流動する一対の冷却体と、各冷却体の外側に配置された押え部材と、加熱体の加熱面に高温側が密着し冷却体に低温側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一対の熱発電モジュールと、前記加熱体の両第２側壁の外側に離間した位置に設けられ、両冷却体の外側の前記押え部材同士を互いに締結することにより、両冷却体間に前記加熱体を介して両熱発電モジュールを圧接挟持する複数の連結ロッドとを備え、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、前記第２側壁の幅寸法は、前記第１側壁の幅寸法より小とされていることを特徴とする。

本発明によれば、前記押え部材同士が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の両第２側壁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。

更に、加熱体の第２側壁の幅寸法が、熱発電モジュールに密着する第１側壁の幅寸法より小とされているので、第２側壁からの熱の放散が抑制され、熱の殆どを熱発電モジュールに伝達させることができる。

本発明おいて、前記加熱体の第２側壁と前記連結ロッドとの間に、所定間隔の空隙を介して積層された複数枚の薄板断熱材からなる断熱部材を設けることが好ましい。該断熱部材が複数枚の薄板断熱材であることにより、各薄板断熱材間の間隔により空気断熱効果を得ることができると共に、各薄板断熱材間の間隔を調節して各薄板断熱材間の空気の対流による放熱を防止することができる。なお、本発明者によれば、各薄板断熱材間の間隔が１mmを超えると各薄板断熱材間の空気層に対流が生じることを知見しており、各薄板断熱材間の空気の対流を確実に防止するために、各薄板断熱材間の間隔は１mm以下とすることが好ましい。

このとき、前記薄板断熱材からなる断熱部材の外側に所定間隔の空隙を存して位置し、前記加熱体を介して対向する前記両熱発電モジュールの側面に接して且つ前記連結ロッドが貫通する第２の断熱部材を設けることにより、前記薄板断熱材からなる断熱部材の外側への熱の放散を防止すると共に、連結ロッドによって第２の断熱部材を確実に支持固定することができる。

更に、前記第２の断熱部材の外側に空隙を存して位置し、前記加熱体及び前記熱発電モジュールを介して対向する前記両冷却体の側面に接して且つ前記連結ロッドが貫通する第３の断熱部材を設けることにより、第２の断熱部材の外側において両冷却体の側面により密封された空気断熱層を形成することができ、しかも、連結ロッドによって第３の断熱部材を確実に支持固定することができ、放熱を防止した状態を確実に維持することができる。

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の一部破断した側面図。 図１の熱電発電装置の横断面説明図。 他の形態の熱電発電装置の横断面説明図。

図１に示す本実施形態の熱電発電装置１は、仮想線で示した熱源機２の上部に連設され、熱源機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２に示すように、上下方向に延設された加熱体３と、この加熱体３を介して互いに対向する一対の冷却体４とを備えている。更に、各一対の冷却体４は、加熱体３の上下方向に複数配設されている。

加熱体３は、互いに対向する一対の第１側壁３ａと両第１側壁３ａの対向方向に直行して互いに対向する第２側壁３ｂとによって四角筒状に形成され、その内部に高温媒体である前記バーナからの燃焼排気が流動する。各第１側壁３ａの外面には、平坦な矩形状の加熱面３ｃが形成されている。そして、加熱体３における燃焼排気（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、第２側壁３ｂの幅寸法は、第１側壁３ａの幅寸法より小とされている。

加熱体３と冷却体４との間には熱発電モジュール５が設けられている。この熱発電モジュール５も、上下方向に配設された各冷却体４に対応して上下方向に複数配設されている。加熱体３の内部を流動する燃焼排気は、上流よりも下流の温度が低下するので、上下方向に配設された熱発電モジュール５を、加熱体３の位置によって異なる温度に応じて効率良く発電可能なものを使うことができ、発電効率を向上させることができる。そして、冷却体４の外側には、それぞれ一対の押え部材６が設けられている。

熱発電モジュール５は、所定厚さの矩形板状をなしており、一方の矩形状の面が高温側の受熱面５ａとされ、他方の矩形状の面が低温側の放熱面５ｂとされている。熱発電モジュール５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５ａから熱を受けた高温側と放熱面５ｂ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５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５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。

そして、熱発電モジュール５の受熱面５ａは、加熱体３の加熱面３ｃに密着して加熱され、放熱面５ｂは冷却体４に密着して冷却される。更に、加熱面３ｃは加熱体３の燃焼排気（高温媒体）に接する第１側壁３ａ内面の幅ｖと同じ幅寸法に設けられ、この加熱面３ｃの幅と熱発電モジュール５の受熱面５ａの幅とが同じ寸法に形成されている。これにより、加熱面３ｃからの余分な放熱を抑制して各熱発電モジュール５の受熱面５ａを効果的に加熱することができる。

冷却体４は、図２に示すように、内部に低温媒体を流動させる流路４ａが形成されており、流路４ａに低温媒体を導入する導入口４ｂと、流路４ａから低温媒体を導出する導出口４ｃとを備えている。導入口４ｂ及び導出口４ｃ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冷却体４の内部に強制的に供給される。

押え部材６は、対向する一対同士が連結ロッド７により締結されている。連結ロッド７の両端部にはナット８が螺着される。また、連結ロッド７は、加熱体３の第２側壁３ｂから離間した位置に設けられている。これにより、加熱体３から連結ロッド７への熱伝達が防止される。

更に、加熱体３の第２側壁３ｂ側には、第１の断熱部材９と、第２の断熱部材１０と、第３の断熱部材１１とが設けられている。第１の断熱部材９は、所定間隔の空隙を介して積層された複数枚の薄板断熱材９ａによって構成され、加熱体３の第２側壁３ｂと連結ロッドとの間に配設されている。なお、本発明者は、各薄板断熱材９ａ間の空隙について試験を行い、各薄板断熱材９ａ間の間隔が１mmを超えると各薄板断熱材９ａ間の空気層に対流が生じ、各薄板断熱材９ａ同士を密着させると（各薄板断熱材９ａ間に空隙を設けないと）空気層による断熱効果が得られないことを知見した。これに基づき、本実施形態においては、各薄板断熱材９ａは互いに密着させず、且つ、各薄板断熱材９ａ間の間隔を１mm以下とし、これによって、各薄板断熱材９ａ間の空隙により形成される空気層により断熱効果を得ると共にその空気層における対流を確実に防止している。

第２の断熱部材１０は、前記第１の断熱部材９の外側に所定間隔の空隙を存して設けられている。第２の断熱部材１０は、例えばセラミック製のブロックが用いられ、加熱体３を介して対向する両熱発電モジュール５の側面に接し、且つ連結ロッド７が貫通して該連結ロッド７に支持されている。第２の断熱部材１０と第１の断熱部材９との間隔も、上述したように１mm以下とされ、これによって、空気層を形成して断熱効果を得ると共にその空気層における対流を確実に防止している。

また、第３の断熱部材１１は、前記第２の断熱部材１０の外側に空隙を存して設けられている。第３の断熱部材１１も、第２の断熱部材１０と同様に、例えばセラミック製のブロックが用いられ、連結ロッド７が貫通して該連結ロッド７に支持されている。更に、第３の断熱部材１１は、加熱体３及び熱発電モジュール５を介して対向する両冷却体４の側面に接して設けられ、第１の断熱部材９及び第２の断熱部材１０をその外側から閉塞することにより、極めて高い断熱効果を得ている。

なお、図１に示すように、上下に隣り合う熱発電モジュール５間や冷却体４間にも他の断熱部材１２，１３を設けておくことが好ましい。これにより、一層確実に断熱効果を得ることができる。

以上のように、本実施形態によれば、連結ロッド７により加熱体３に接触しない位置で両冷却体４を連結することにより、加熱体３の第１側壁３ａに熱発電モジュール５を確実に圧接保持され、しかも、各断熱部材９，１０，１１，１２，１３により加熱体３の熱の放散が防止されているので、加熱体３の熱を効率良く熱発電モジュール５に伝達させ、効果的な発電行うことができる。

なお、上記実施形態においては、加熱面３ｃの幅（加熱体３の第１側壁３ａ内面の幅ｖ）と熱発電モジュール５の受熱面５ａの幅とが同じ寸法に形成されている例を示したが、それ以外に、図３に示すように構成することもできる。即ち、図３に示す本発明の他の実施形態として、加熱面３ｃの幅を、加熱体３の第１側壁３ａ外面の幅と同じ寸法に形成し、この加熱面３ｃの幅（加熱体３の第１側壁３ａ外面の幅）と熱発電モジュール５の受熱面５ａの幅とを同じ寸法に形成してもよい。これによっても、加熱体３の第２側壁３ｂ側に、第１の断熱部材９と、第２の断熱部材１０と、第３の断熱部材１１とを設けて、加熱面３ｃからの余分な放熱を十分に抑制することができる。

１…熱電発電装置、３…加熱体、３ａ…第１側壁、３ｂ…第２側壁、３ｃ…加熱面、４…冷却体、５…熱発電モジュール、５ａ…受熱面、５ｂ…放熱面、６…押え部材、７…連結ロッド、９…第１の断熱部材（断熱部材）、９ａ…薄板断熱材、１０…第２の断熱部材、１１…第３の断熱部材。

Claims (6)

1. 互いに対向する一対の第１側壁と両第１側壁の対向方向に直行して互いに対向する第２側壁とによって四角筒状に形成され、その内部に高温媒体が流動することにより各第１側壁の外面が加熱面とされる加熱体と、
   該加熱体の各第１側壁の外側に対向して設けられ、内部に低温媒体が流動する一対の冷却体と、
   各冷却体の外側に配置された押え部材と、
   加熱体の加熱面に高温側の受熱面が密着し冷却体に低温側の放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一対の熱発電モジュールと、
   前記加熱体の両第２側壁の外側に離間した位置に設けられ、両冷却体の外側の前記押え部材同士を互いに締結することにより、両冷却体間に前記加熱体を介して両熱発電モジュールを圧接挟持する複数の連結ロッドとを備え、
   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、前記第２側壁の幅寸法は、前記第１側壁の幅寸法より小とされていることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記加熱体の第２側壁と前記連結ロッドとの間に、所定間隔の空隙を介して積層された複数枚の薄板断熱材からなる断熱部材を設けたことを特徴とする請求項１記載の熱電発電装置。
3. 前記薄板断熱材からなる断熱部材の外側に所定間隔の空隙を存して位置し、前記加熱体を介して対向する前記両熱発電モジュールの側面に接して且つ前記連結ロッドが貫通する第２の断熱部材を設けたことを特徴とする請求項２記載の熱電発電装置。
4. 前記第２の断熱部材の外側に空隙を存して位置し、前記加熱体及び前記熱発電モジュールを介して対向する前記両冷却体の側面に接して且つ前記連結ロッドが貫通する第３の断熱部材を設けたことを特徴とする請求項３記載の熱電発電装置。
5. 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４のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
6. 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５のいずれか１項に記載の熱電発電装置。

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