JP2016152363A - 温度差発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱エネルギーの利用効率が高く、省スペースで、製造コストを低減することを可能にした温度差発電装置を提供する。
【解決手段】第１の平面型ヒートパイプ４Ａは、下部水平面部４１Ａで蒸発した熱媒体が上部水平面部４２Ａに移動して、温水の熱を熱電変換素子５Ａに伝達するため、熱の移動方向が下から上となり、熱伝達効率が良い。また、破線矢印で示すように、第２の平面型ヒートパイプ６Ａも、下部水平面部６１Ａで蒸発した熱媒体が上部水平面部６２Ａに移動して凝縮し、冷水に熱を伝達するため、熱の移動方向が下から上となり、熱伝達効率が良い。また、高温側筐体２Ａ、低温側筐体３Ａ、第１の平面型ヒートパイプ４Ａ、第２の平面型ヒートパイプ６Ａを上下に積み重ねる構造を採用できるため、面積を増やさずに発電量を増やすことができるため、面積効率を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、温泉等の排熱エネルギーの温度差を利用して電気エネルギーに変換する温度差発電装置に関する。さらに詳しくは、熱エネルギーの利用効率が高く、省スペースで、製造コストを低減することを可能にした温度差発電装置に関する。

モータ、ポンプ等の回転駆動部がなく、少量のエネルギーにも対応し、熱から直接電気が得られる利点がある発電装置として、ゼーベック効果を伴う熱電変換素子を組み込んだ発電装置が注目されている。特許文献１の温度差発電装置は、温度差により熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子を、２つのヒートパイプの一端で挟んで貼り合わせることにより、配管工事等のコストの高い設備を必要とすることなく、低コストで構成した温度差発電装置である。

図４は、特許文献１の温度差発電装置を示す縦断面図である。図４に示すように、特許文献１の温度差発電装置は、ゼーベック素子（熱電変換素子）００９を２つのヒートパイプ０１０、０１１で挟んで固定した構成になっていて、この２つのヒートパイプ０１０、０１１の各々の上端０１０ａ、０１１ａがゼーベック素子００９側に設置され、各々の下端０１０ｂ、０１１ｂが温泉に浸る構成になっている。ゼーベック素子００９は、銅製の保持体０１２を介して２つのヒートパイプ０１０、０１１に各々接続されている。即ち、高温側のヒートパイプ０１０は中間部が屈曲して外方に開き、上端０１０ａはゼーベック素子００９に相対し取り付けられ、下端０１０ｂは高温の温泉００７に浸っている。低温側のヒートパイプ０１１も同様構成で、上端０１１ａがゼーベック素子００９に相対して取り付けられ、下端０１１ｂが低温の温泉００８に浸っている。ゼーベック素子００９の下部には遮断壁０１４が設けられ、温泉を高温側と低温側とに二分している。又、このゼーベック素子００９を含め２つのヒートパイプ０１０、０１１の外周は全体に断熱材０１３で被覆されており、熱の発散を防止している。

重力によって、熱は下から上に移動しやすい性質を持っている。特許文献１の温度差発電装置は、図４の実線矢印で示すように、高温側のヒートパイプ０１０は、下端０１０ｂで蒸発した熱媒体が上端０１０ａに移動して、高温の温泉００７の熱をゼーベック素子００９側に伝達するため効率が良い。しかし、破線矢印で示すように、低温側のヒートパイプ０１１は、上端０１１ａで蒸発した熱媒体が下端０１１ｂに移動して凝縮し、低温の温泉００８側に熱を伝達するため、熱の流れ方向が重力に逆らうことになり、効率が悪い。また、特許文献１の温度差発電装置は、上下に積み重ねる構造を採用することが難しいため、発電量を増やすためには、面積を増やすしか方法が無く、面積効率を向上させることが難しい。

特開２０１２−１６４８１５号公報

本発明は、以上のような背景で発明されたものであり、以下の目的を達成するものである。本発明の目的は、熱エネルギーの利用効率が高く、省スペースで、製造コストを低減することを可能にした温度差発電装置を提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するために、次の手段を採る。
即ち、本発明１の温度差発電装置は、温度差により熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子と、高温側流体が流入する中空の高温側筐体と、前記高温側筐体の高温側流体に浸される下部水平面部と、前記下部水平面部の水平方向の端部を垂直面内でＵ字型に折り曲げて、前記高温側筐体から上部に突出させ、前記熱電変換素子の下面に貼り合わされる上部水平面部とを有する第１の平面型ヒートパイプと、前記高温側筐体の上部に積み重ねて取り付けられ、低温側流体が流入する中空の低温側筐体と、前記低温側筐体の低温側流体に浸される上部水平面部と、前記上部平面部の水平方向の端部を垂直面内でＵ字型に折り曲げて、前記低温側筐体から下部に突出させ、前記熱電変換素子の上面に貼り合わされる下部水平面部とを有する第２の平面型ヒートパイプとからなることを特徴とする。
本発明２の温度差発電装置は、本発明１において、前記低温側筐体の上部には、前記構造の高温側筐体、第１の平面型ヒートパイプ、低温側筐体、第２の平面型ヒートパイプが更に積み重ねて取り付けられていることを特徴とする。

本発明３の温度差発電装置は、温度差により熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子と、高温側流体が流入する中空の高温側筐体と、前記高温側筐体の高温側流体に浸される下部水平面部と、前記下部水平面部の水平方向の端部を垂直面内でＵ字型に折り曲げて、前記高温側筐体から上部に突出させ、前記熱電変換素子の下面に貼り合わされる上部水平面部とを有する平面型ヒートパイプと、前記高温側筐体の上部に積み重ねて取り付けられた空冷用のヒートシンクと、前記ヒートシンクに上端が接続され、下端が前記熱電変換素子の上面に貼り合わされるヒートパイプと、前記高温側筐体の上部に積み重ねて取り付けられ、前記ヒートシンクを包囲するとともに、低温側流体が流入可能な中空の低温側筐体と、設定値以上に気温が高い時に、前記低温側筐体に低温側流体を流入させるための切り換え弁とからなることを特徴とする。
本発明４の温度差発電装置は、本発明３において、前記気温が前記低温側流体の温度よりも設定値以上高い時に、前記切り換え弁を切り換えて前記低温側筐体に前記低温側流体を流入させることを特徴とする。

本発明の温度差発電装置は、高温側筐体の上部に低温側筐体を積み重ねて取り付け、平面型ヒートパイプを垂直面内でＵ字型に折り曲げているため、熱の移動方向が下から上となり、熱伝達効率が良くなるため、発電量を向上させることができる。また、上下に積み重ねる構造を採用しているため、面積を増やさずに発電量を増やすことができ、面積効率を向上させることができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態の温度差発電装置を示し、図１（ａ）は縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＰ矢視図である。 図２は、本発明の第２の実施の形態の温度差発電装置を示し、図２（ａ）は縦断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＱ矢視図である。 図３は、本発明の第３の実施の形態の温度差発電装置を示し、図３（ａ）は縦断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の一部を断面したＲ矢視図である。 図４は、従来の温度差発電装置を示す縦断面図である。

〔温度差発電装置の第１の実施の形態〕
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の温度差発電装置１を示し、図１（ａ）は縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＰ矢視図である。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態の温度差発電装置１は、矩形箱状の高温側筐体２Ａと、高温側筐体２Ａの上部に積み重ねて取り付けられた矩形箱状の低温側筐体３Ａを有している。低温側筐体３Ａは、上下方向に長い４本のボルト２４Ａによって、高温側筐体２Ａの四隅に固定されている。高温側筐体２Ａ、低温側筐体３Ａは中空で、高温側筐体２Ａの中空部２１Ａには、温水（高温側流体、例えば温泉水、工場の温排水等）が供給口２２Ａから流入し、排出口２３Ａから排出される。同様に、低温側筐体３Ａの中空部３１Ａには、冷水（低温側流体、例えば河川水、温泉排水、井戸水等）が供給口３２Ａから流入し、排出口３３Ａから排出される。

高温側筐体２Ａの温水に下部が浸された第１の平面型ヒートパイプ４Ａは、図１（ｂ）に示すように、２個並列に配置され、材質がアルミニウムで、厚さが３．０ｍｍ、幅が６０ｍｍの平板状である。また、第１の平面型ヒートパイプ４Ａは、２４個のトンネル状の穴が明いた多穴管であり、穴部の高さが２．０ｍｍ、肉厚が０．５ｍｍである。第１の平面型ヒートパイプ４Ａは、各穴を仕切る隔壁によって曲げに対する強度が保たれるため、１０Ｒ程度の小さな曲げでも穴が閉塞することがない。従って、ヒートパイプとしての性能を損なうことなく自在に曲げることができる。図１に示すように、第１の平面型ヒートパイプ４Ａは、高温側筐体２Ａの温水に浸された下部水平面部４１Ａを有している。、また、第１の平面型ヒートパイプ４Ａは、下部水平面部４１Ａの水平方向の左端を垂直面内でＵ字型に折り曲げて、高温側筐体２Ａから上部に突出させ、熱電変換素子（例えばゼーベック素子）５Ａの下面に貼り合わされた上部水平面部４２Ａを有している。第１の平面型ヒートパイプ４Ａは、断面形状がシンプルな平板状である。従って、第１の平面型ヒートパイプ４Ａの高温側筐体２Ａからの突出部の隙間のシールが簡単である。

また、低温側筐体３Ａの冷水に上部が浸された第２の平面型ヒートパイプ６Ａも、図１（ｂ）に示すように、２個並列に配置され、上記した第１の平面型ヒートパイプ４Ａと材質、形状が同一で、低温側筐体３Ａの冷水に浸された上部水平面部６２Ａを有している。上部水平面部６２Ａの水平方向の右端は低温側筐体３Ａから右側方に突出し、さらに、上部水平面部６２Ａの水平方向の右端は垂直面内でＵ字型に折り曲げられて、上記した熱電変換素子５Ａの上面に貼り合わされた下部水平面部６１Ａを有している。第２の平面型ヒートパイプ６Ａも、断面形状がシンプルな平板状である。従って、第２の平面型ヒートパイプ６Ａの低温側筐体３Ａからの突出部の隙間のシールが簡単である。

本発明の第１の実施の形態の温度差発電装置１は、図１の実線矢印で示すように、第１の平面型ヒートパイプ４Ａは、下部水平面部４１Ａで蒸発した熱媒体が上部水平面部４２Ａに移動して、温水の熱を熱電変換素子５Ａに伝達するため、熱の移動方向が下から上となり、熱伝達効率が良い。また、破線矢印で示すように、第２の平面型ヒートパイプ６Ａも、下部水平面部６１Ａで蒸発した熱媒体が上部水平面部６２Ａに移動して凝縮し、冷水に熱を伝達するため、熱の移動方向が下から上となり、熱伝達効率が良くなるため、発電量を向上させることができる。また、高温側筐体２Ａ、低温側筐体３Ａ、第１の平面型ヒートパイプ４Ａ、第２の平面型ヒートパイプ６Ａを上下に積み重ねる構造を採用しているため、面積を増やさずに発電量を増やすことができ、面積効率を向上させることができる。さらに、１個の平面型ヒートパイプで多数の筒型ヒートパイプと同様の熱伝達能力が有るため、製造コストを低減することが可能となる。

〔温度差発電装置の第２の実施の形態〕
次に、本発明の第２の実施の形態を図面に基づいて説明する。図２は、本発明の第２の実施の形態の温度差発電装置１０を示し、図２（ａ）は縦断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＱ矢視図である。第２の実施の形態の温度差発電装置１０は、第１の実施の形態の温度差発電装置１を二段重ねにした例である。すなわち、図２に示すように、本発明の第２の実施の形態の温度差発電装置１０は、矩形箱状の高温側筐体２Ａ、矩形箱状の低温側筐体３Ａ、矩形箱状の高温側筐体２Ｂ、矩形箱状の低温側筐体３Ｂが、この順序で順次積み重ねて取り付けられている。低温側筐体３Ａ、高温側筐体２Ｂ、低温側筐体３Ｂは、上下方向に長い４本のボルト２４Ｂ（第１の実施の形態のボルト２４Ａよりも長い）によって、高温側筐体２Ａの四隅に固定されている。

高温側筐体２Ａ、低温側筐体３Ａ、高温側筐体２Ｂ、低温側筐体３Ｂは中空で、高温側筐体２Ａの中空部２１Ａには、温水（高温側流体）が供給口２２Ａから流入し、排出口２３Ａから排出される。排出口２３Ａから排出された温水は、温水用配管２５を経由し、供給口２２Ｂから高温側筐体２Ｂの中空部２１Ｂに流入し、排出口２３Ｂから排出される。温水用配管２５は、断熱材で被覆され、温泉水の温度低下を防止している。同様に、最上部の低温側筐体３Ｂの中空部３１Ｂには、冷水（低温側流体）が供給口３２Ｂから流入し、排出口３３Ｂから排出される。排出口３３Ｂから排出された冷水は、冷水用配管３４を経由し、供給口３２Ａから低温側筐体３Ａの中空部３１Ａに流入し、排出口３３Ａから排出される。冷水用配管３４の外周には、冷却フィンが形成され、冷水の温度上昇を防止している。

最下段の高温側筐体２Ａに取り付けられた第１の平面型ヒートパイプ４Ａ、その上の低温側筐体３Ａに取り付けられた第２の平面型ヒートパイプ６Ａの構造は、第１の実施の形態の温度差発電装置１と同一であり、図２（ｂ）に示すように２個並列に配置されている。また、上段の高温側筐体２Ｂには、上記した第１の平面型ヒートパイプ４Ａと材質、形状が同一の第１の平面型ヒートパイプ４Ｂが、図２（ｂ）に示すように２個並列に配置されている。第１の平面型ヒートパイプ４Ｂは、高温側筐体２Ｂの温水に浸された下部水平面部４１Ｂと、下部水平面部４１Ｂの水平方向の左端を垂直面内でＵ字型に折り曲げて、高温側筐体２Ｂから上部に突出させ、熱電変換素子５Ｂの下面に貼り合わされた上部水平面部４２Ｂとを有している。

また、第２の平面型ヒートパイプ６Ｂも、図２（ｂ）に示すように、２個並列に配置され、上記した第２の平面型ヒートパイプ６Ａと材質、形状が同一で、低温側筐体３Ｂの冷水に浸された上部水平面部６２Ｂを有している。上部水平面部６２Ｂの水平方向の右端は低温側筐体３Ｂから右側方に突出し、さらに、上部水平面部６２Ｂの水平方向の右端は垂直面内でＵ字型に折り曲げられて、熱電変換素子５Ｂの上面に貼り合わされた下部水平面部６１Ｂを有している。

本発明の第２の実施の形態の温度差発電装置１０は、第１の実施の形態の温度差発電装置１で説明した効果に加えて、高温側筐体２Ｂ、低温側筐体３Ｂ、第１の平面型ヒートパイプ４Ｂ、第２の平面型ヒートパイプ６Ｂを更に積み重ねているため、面積を増やさずに発電量を更に増やすことができ、面積効率をさらに向上させることができる。

〔温度差発電装置の第３の実施の形態〕
次に、本発明の第３の実施の形態を図面に基づいて説明する。図３は、本発明の第３の実施の形態の温度差発電装置１００を示し、図３（ａ）は縦断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の一部を断面したＲ矢視図である。第３の実施の形態の温度差発電装置１００は、第１の実施の形態の温度差発電装置１及び第２の実施の形態の温度差発電装置１０の水冷方式を空冷方式に変更した例である。図３に示すように、本発明の第３の実施の形態の温度差発電装置１００は、矩形箱状の高温側筐体２Ａと、高温側筐体２Ａの上部に積み重ねて取り付けられた矩形箱状の低温側筐体３Ｃを有している。低温側筐体３Ｃは、上下方向に長い４本のボルト２４Ｃによって、高温側筐体２Ａの四隅に固定されている。高温側筐体２Ａ、低温側筐体３Ｃは中空で、高温側筐体２Ａの中空部２１Ａには、温水（高温側流体）が供給口２２Ａから流入し、排出口２３Ａから排出される。

高温側筐体２Ａに取り付けられた第１の平面型ヒートパイプ４Ａの構造は、第１の実施の形態の温度差発電装置１と同一であり、図３（ｂ）に示すように２個並列に配置されている。第１の平面型ヒートパイプ４Ａは、高温側筐体２Ａの温水に浸された下部水平面部４１Ａを有している。また、第１の平面型ヒートパイプ４Ａは、下部水平面部４１Ａの水平方向の左端を垂直面内でＵ字型に折り曲げて、高温側筐体２Ａから上部に突出させ、熱電変換素子（例えばゼーベック素子）５Ｃの下面に貼り合わされた上部水平面部４２Ａを有している。

低温側筐体３Ｃは上記した第１の実施の形態の温度差発電装置１及び第２の実施の形態の温度差発電装置１０とは異なり、上面に開口部３５Ｃが形成され、その内部空間３６Ｃには、冷水が開口部３５Ｃから流入し、排出口３３Ｃから排出される。冷水は、電磁切り換え弁３７Ｃを介して開口部３５Ｃに流入する。Ｕ字型に折り曲げられた筒型のヒートパイプ７の下端が熱電変換素子５Ｃの上面に貼り合わされ、保持体７１によって熱電変換素子５Ｃに固定されている。図３（ｂ）に示すように、ヒートパイプ７は２個並列に配置されている。ヒートパイプ７の上端には、フィン状の空冷用のヒートシンク７２が接続されている。ヒートシンク７２は、低温側筐体３Ｃに包囲され、その上側の約半分が低温側筐体３Ｃの開口部３５Ｃから突出している。

図示しないが、第３の実施の形態の温度差発電装置１００では、温度差発電装置１００が設置された環境の気温を計測するセンサーと、低温側筐体３Ｃに流入する冷水の温度を計測するセンサーが取り付けられている。冬、春、秋等の気温が比較的低い季節には、ヒートシンク７２を空冷する。空冷効果が低下する夏には、上記したセンサーの計測結果をフィードバックして、水冷効果を加える。すなわち、気温が冷水よりも設定値以上高い時に、電磁切り換え弁３７Ｃを切り換えて、冷水を開口部３５Ｃから低温側筐体３Ｃの内部空間３６Ｃに流入させ、水冷効果を加える。本発明の第３の実施の形態の温度差発電装置１００は、気温と水温の計測結果をフィードバックして、効果的な冷却を行うため、発電効率を向上させることができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はこの実施例に限定されることはない。例えば、前述した実施例では、第１の平面型ヒートパイプ４Ａ、第２の平面型ヒートパイプ６Ａ、ヒートパイプ７は２列設置されているが、必要な発電量に応じて任意の列数のヒートパイプを設置すればよい。また、第３の実施の形態の温度差発電装置１００の低温側筐体３Ｃを上下移動可能にし、空冷時には低温側筐体３Ｃの開口部３５Ｃからヒートシンク７２を全て露出して空冷効果を良くし、水冷時には、低温側筐体３Ｃの内部空間３６Ｃにヒートシンク７２を全て収納して水冷効果を良くしてもよい。さらに別の例として、第３の実施の形態の温度差発電装置１００の低温側筐体３Ｃを取り外し可能にし、空冷時には低温側筐体３Ｃを取り外して空冷効果を良くし、水冷時には、低温側筐体３Ｃを取り付けて水冷効果を加えてもよい。

１、１０、１００…温度差発電装置
２Ａ、２Ｂ…高温側筐体
２１Ａ、２１Ｂ…中空部
２２Ａ、２２Ｂ…供給口
２３Ａ、２３Ｂ…排出口
２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ…ボルト
２５…温水用配管
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ…低温側筐体
３１Ａ、３１Ｂ…中空部
３２Ａ、３２Ｂ…供給口
３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ…排出口
３４…冷水用配管
３５Ｃ…開口部
３６Ｃ…内部空間
３７Ｃ…電磁切り換え弁
４Ａ、４Ｂ…第１の平面型ヒートパイプ
４１Ａ、４１Ｂ…下部水平面部
４２Ａ、４２Ｂ…上部水平面部
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ…熱電変換素子
６Ａ、６Ｂ…第２の平面型ヒートパイプ
６１Ａ、６１Ｂ…下部水平面部
６２Ａ、６２Ｂ…上部水平面部
７…ヒートパイプ
７１…保持体
７２…ヒートシンク
００７…高温の温泉
００８…低温の温泉
００９…ゼーベック素子（熱電変換素子）
０１０、０１１…ヒートパイプ
０１０ａ、０１１ａ…上端
０１０ｂ、０１１ｂ…下端
０１２…保持体
０１３…断熱材
０１４…遮断壁

Claims (4)

1. 温度差により熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子と、
   高温側流体が流入する中空の高温側筐体と、
   前記高温側筐体の高温側流体に浸される下部水平面部と、前記下部水平面部の水平方向の端部を垂直面内でＵ字型に折り曲げて、前記高温側筐体から上部に突出させ、前記熱電変換素子の下面に貼り合わされる上部水平面部とを有する第１の平面型ヒートパイプと、
   前記高温側筐体の上部に積み重ねて取り付けられ、低温側流体が流入する中空の低温側筐体と、
   前記低温側筐体の低温側流体に浸される上部水平面部と、前記上部平面部の水平方向の端部を垂直面内でＵ字型に折り曲げて、前記低温側筐体から下部に突出させ、前記熱電変換素子の上面に貼り合わされる下部水平面部とを有する第２の平面型ヒートパイプとからなる
   ことを特徴とする温度差発電装置。
2. 請求項１に記載の温度差発電装置において、
   前記低温側筐体の上部には、前記構造の高温側筐体、第１の平面型ヒートパイプ、低温側筐体、第２の平面型ヒートパイプが更に積み重ねて取り付けられている
   ことを特徴とする温度差発電装置。
3. 温度差により熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子と、
   高温側流体が流入する中空の高温側筐体と、
   前記高温側筐体の高温側流体に浸される下部水平面部と、前記下部水平面部の水平方向の端部を垂直面内でＵ字型に折り曲げて、前記高温側筐体から上部に突出させ、前記熱電変換素子の下面に貼り合わされる上部水平面部とを有する平面型ヒートパイプと、
   前記高温側筐体の上部に積み重ねて取り付けられた空冷用のヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに上端が接続され、下端が前記熱電変換素子の上面に貼り合わされるヒートパイプと、
   前記高温側筐体の上部に積み重ねて取り付けられ、前記ヒートシンクを包囲するとともに、低温側流体が流入可能な中空の低温側筐体と、
   設定値以上に気温が高い時に、前記低温側筐体に低温側流体を流入させるための切り換え弁とからなる
   ことを特徴とする温度差発電装置。
4. 請求項３に記載の温度差発電装置において、
   前記気温が前記低温側流体の温度よりも設定値以上高い時に、前記切り換え弁を切り換えて前記低温側筐体に前記低温側流体を流入させる
   ことを特徴とする温度差発電装置。

Images