JP2018046594A - 可搬式発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でかつ発電効率に優れた可搬式の発電装置を提供する。【解決手段】高温側と低温側との温度差により発電する熱電発電モジュール３と、熱電発電モジュール３の高温側に設けられた渦流燃焼器４と、熱電発電モジュール３の低温側に設けられた冷却部５と、渦流燃焼器４に燃料ガスを供給する燃料供給部６と、渦流燃焼器４に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給部７と、発電を制御する制御部９と、電池部１０と、を備える構成とした。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電発電モジュールを用いた可搬式の発電装置に関するものである。

従来、屋外や災害時などに使用することのできる、持ち運び可能な可搬式の電源として、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュールを用いた発電装置が提案されている。この発電装置に使用される熱電発電モジュールは、低温部と高温部との温度差により起電力を発生するものであって、温度差が大きいほど大きな起電力を得ることができるため、発電装置には高温部を加熱するバーナを加熱源として備えている。

ここで、一般的なバーナによる有炎燃焼は、炎の内部にも大きな温度勾配が存在するため、燃焼によって発生した熱を熱電発電モジュールに均等に伝達するのは困難である。そのため、このような発電装置においては、加熱源として触媒燃焼器を用いるものが提案されている（例えば特許文献１）。触媒燃焼器では、燃焼器の表面全体で燃焼がおこり、発生した熱も触媒燃焼器全体に均等に分布するため、熱電発電モジュールの全体に均等に熱を伝達するのが容易となる。このような利点のある一方で、有炎燃焼に比べて、単位面積当たりの燃焼効率が低いため、熱電発電モジュールを高温に加熱するのには面積が必要になり、これが小型化を妨げてしまう要因となる。

また、その他の方法として、有炎燃焼を行うバーナで発生した燃焼排ガスを熱伝導部材に伝達させ、この熱伝導部材を加熱源として用いるものも提案されている（特許文献２）。この発電装置では、有炎燃焼のバーナにより燃焼熱を発生させるため、加熱効率に優れるが、バーナとは別に熱伝導部材を設ける必要があるため、構造が複雑化してしまい小型化することが難しくなる。

特開平１０−２０１２６９号公報 特開２００４−１２９４４２号公報

このように、従来様々な構造が提案されているが、高い発電効率を有する発電装置を小型に構成することは達成されていない。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、小型でかつ発電効率に優れた可搬式の発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、高温側と低温側との温度差により発電する熱電発電モジュールと、前記熱電発電モジュールの高温側に設けられ、筒状の燃焼室内に渦流火炎を形成する渦流燃焼器と、前記熱電発電モジュールの低温側に設けられた冷却部と、前記渦流燃焼器に燃料ガスを供給する燃料供給部と、前記渦流燃焼器に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給部と、発電を制御する制御部と、電池部と、を備えることを特徴とする可搬式発電装置である。

また、前記渦流燃焼器は、前記燃焼室から排出される燃焼排ガスが流入する燃焼排ガス経路と、前記燃焼室および前記燃焼排ガス経路を内包する燃焼器本体と、を備え、前記燃焼器本体が渦流火炎と燃焼排ガスによって加熱されることを特徴とする請求項１記載の可搬式発電装置である。

また、前記制御部は、前記渦流燃焼器の温度に応じて燃焼用空気供給部を制御することを特徴とする請求項１または２記載の可搬式発電装置である。

また、前記制御部は、前記渦流燃焼器の着火時には燃料過濃状態とし、着火後は燃料希薄状態となるように燃焼用空気の供給量を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の可搬式発電装置である。

また、前記制御部は、燃焼開始時には前記燃焼用空気供給部を前記電池部により駆動し、前記熱電発電モジュールが発電を開始し出力が所定出力以上となると前記燃焼用空気供給部の駆動源を前記熱電発電モジュールに切り替えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の可搬式発電装置である。

また、前記電池部は前記熱電発電モジュールの出力により充電されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の可搬式発電装置である。

また、前記燃焼用空気供給部は遠心ターボファンであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の可搬式発電装置である。

また、外装ケースを備え、前記熱電発電モジュールと、前記渦流燃焼器と、前記冷却部と、前記燃料供給部と、前記燃焼用空気供給部と、前記電池部と、前記制御部とを該外装ケース内に収納してなる請求項１〜７のいずれか１つに記載の可搬式発電装置である。

上述のように構成することにより、小型でかつ発電効率に優れた可搬式の発電装置を提供することができる。

本発明の実施例を示す構成図である。 本発明の実施例の渦流燃焼器の一例を示す断面図である。 本発明の実施例の電力供給方向を示す説明図である。

好適と考える本発明の実施形態を、本発明の作用効果を示して簡単に説明する。

本発明は、熱電発電モジュールと、熱電発電モジュールの高温側に設けられた渦流燃焼器と、熱電発電モジュールの低温側に設けられた冷却部と、渦流燃焼器に燃料ガスを供給する燃料供給部と、渦流燃焼器に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給部と、発電を制御する制御部と、電池部と、を備えている。

渦流燃焼器は、燃焼室内の接線方向に燃料と燃焼用空気とが導入されることで燃焼室内に高速の旋回流を発生させて、渦状の火炎を形成する。渦状の火炎は燃焼室内にのみ存在するため、熱電発電モジュールの加熱源を小型に構成することができる。さらには、渦流火炎の高速な周方向回転速度によって火炎の熱が燃焼室を介して燃焼器全体に素早く熱伝達されるため、熱電発電モジュールを均等に加熱することができるので、高い発電効率を得ることができる。これにより、小型でかつ発電効率に優れた可搬式の発電装置を構成することが可能となる。

また、この渦流燃焼器は、燃焼器本体内に燃焼室と燃焼排ガス経路を備えており、渦流火炎と燃焼排ガスによって燃焼器本体が加熱されるように構成したので、放熱による熱の損失を抑え、燃焼によって発生した熱を効率よく熱電発電モジュールに伝熱することができる。

また、燃焼器の温度が高くなると燃焼排ガスの体積膨張により排気の抵抗が上昇し、空気を導入する抵抗が増加する。そこで、渦流燃焼器の温度に応じて燃焼用空気供給部を制御することで、排気の抵抗が上昇しても必要な燃焼用空気を供給することができ、燃焼状態を安定させて一酸化炭素の発生を抑制することができる。

また、燃焼用空気を、着火時には燃料過濃状態とし、着火後は燃料希薄状態となるように供給することで、着火性能を向上させるとともに、燃焼中においては燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素濃度を低減することができる。

また、燃焼用空気供給部を、燃焼開始時には電池部で駆動し、熱電発電モジュールの出力が所定出力以上となると熱電発電モジュールでの駆動に切り替えることで、燃焼用空気供給部を素早く起動させるとともに、電池部を容量の小さいものとすることができるので、より発電装置を小型に構成することができる。

また、熱電発電モジュールの出力により電池部を充電して消費した分の電力を回収することで、電池部の交換が不要になり、利便性を向上させることができる。

また、燃焼用空気供給部を遠心ターボファンとすることで、燃焼器内部での圧力損失の大きい渦流燃焼器においても、少ない消費電力で完全燃焼に必要な空気を安定して供給することができる。

また、発電装置を構成する部品をすべて外装ケース内に収納することで、可搬性に優れた発電装置とすることができる。

以下、本発明の具体的な実施例について図を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例を示す構成図である。発電装置１は、外装ケース２内に、熱電発電モジュール３と、熱電発電モジュール３の高温側に設けられた渦流燃焼器４と、熱電発電モジュール３の低温側に設けられた冷却部５と、渦流燃焼器４に燃料ガスを供給する燃料供給部６と、渦流燃焼器４に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給部７と、渦流燃焼器４に点火する点火装置８と、発電装置１の動作を制御する制御部９と、電池部１０と、を収納して構成され、外装ケース２には熱電発電モジュール３で発生した電力を外部へ供給する出力部１１が形成されている。

熱電発電モジュール３は、ゼーベック効果を利用して熱起電力を発生するゼーベック素子（半導体素子）を用いている。このようなゼーベック素子は、ｎ型半導体とｐ型半導体を張り合わせて形成されており、加熱されると異種半導体の境界間でキャリア移動が行われ、起電力を生じる。このとき、高温部と低温部の温度差が大きいほど生成される起電力は大きくなるため、渦流燃焼器４の燃焼によって高温側を加熱し、冷却部５によって低温側を冷却することで温度差を発生させている。

渦流燃焼器４は、熱電発電モジュール３の高温側を加熱するための熱源として設けられ、燃焼室内の接線方向に燃料と燃焼用空気とが導入されることで燃焼室内に高速の旋回流を発生させ、この旋回流に点火装置８で点火することで燃焼室内に渦状の火炎を形成するものである。

図２は、この渦流燃焼器４の一例を示す断面図であって、略直方体形状の燃焼器本体２０の内部に、筒状の燃焼室２１と、燃焼室２１の内面の接線方向に向けて燃料ガスと燃焼用空気との予混合ガスを導入する予混合ガス導入経路２２と、燃焼室２１から排出される燃焼排ガスを導入する燃焼排ガス流路２３を備えている。また、燃焼器本体２０の表面には、燃焼排ガス流路２３の下流端と連通し、燃焼排ガスを燃焼器本体２０の外に排出する排気口２４が設けられている。

また、予混合ガス導入経路２２には後述の燃料供給部６と燃焼用空気供給部７からそれぞれ燃料ガスと燃焼用空気が導入されるようになっていてもよいし、予混合ガス導入経路２２の上流に、予め燃料ガスと燃焼用空気とを混合する予混合部（図示せず）を備える構成としてもよい。

予混合ガス導入経路２２から燃焼室２１内に予混合ガスが導入されることで、この予混合ガスが燃焼室２１内で旋回流になって燃焼室２１内に渦流火炎が形成され、この渦流火炎の熱および渦流火炎の燃焼によって生じた燃焼排ガスの熱により燃焼器本体２０が加熱される。図中の黒矢印は予混合ガスを示し、白矢印は燃焼排ガスを示している。

燃焼器本体２０は、燃焼により発生した熱を熱電発電モジュール３に伝達するため、熱伝導率の高い金属部材（例えば、アルミニウムやアルミニウム合金等）で構成され、熱電発電モジュール３とは密接して設けられる。なお、燃焼器本体２０の形状は、直方体形状に限らず、立方体形状であってもよいし、円筒形状であってもよい。また、図１はあくまで本実施例の発電装置１に必要な部品を模式的に示した構成図であるため、実際の数や形状、配設位置などを特定するものではない。したがって、熱電発電モジュール３の数は１つとは限らないし、形状も燃焼器本体２０と密接させることができるものであればよく、平板状に限らない。

冷却部５は、熱電発電モジュール３の低温側に設けられ、熱電発電モジュール３から熱を奪い冷却するものである。冷却の方式は液冷、空冷など、いずれの方式でも採用することができる。例えば、液冷式の場合は、その内部に冷却液の流路と、冷却液を循環させる循環ポンプとを有し、制御部９の指示によって循環ポンプの動作が制御される。さらに冷却液を冷却するラジエータを備えることもできる。また、空冷式の場合は、複数のフィンとこのフィンに送風する送風機を備え、制御部９の指示によって送風機の動作が制御される。

燃料供給部６は、渦流燃焼器４に可燃性の燃料ガスを供給するものであって、圧縮された液化ガスが収容されたガスボンベが接続される。このガスボンベは外装ケース２内に収容されるようにしてもよい。

燃焼用空気供給部７は、例えば送風機により構成され、渦流燃焼器４に燃焼用の空気を供給する。渦流燃焼器４は内部の圧力損失が大きいため、燃料ガスが噴出する際に発生するエゼクタ効果だけでは燃焼に必要な空気を供給することができない。また、燃焼室２１内に高速の旋回流を発生させるためには燃焼用空気供給部７による空気の供給が必要となる。そのため、本発明の発電装置１には、燃焼用空気供給部７が設けられ、渦流燃焼器４に強制的に空気を供給する。

また、燃焼用空気供給部７としては、遠心式の送風機を用いるのがよい。遠心送風機は軸流送風機に比べて高い静圧下でも作動できるので、内部の圧力損失の大きい渦流燃焼器４に燃焼用空気を供給するのに適している。さらに、遠心送風機の中でもターボファンは風量も比較的多いため、少ない消費電力で安定して燃焼用空気を供給することができる。

電池部１０は、熱電発電モジュール３が発電を開始するまでの間、電力を必要とする燃焼用空気供給部７や点火装置８に電力を供給して駆動させる。電池部１０は乾電池等の一次電池、リチウムイオン電池等の二次電池のいずれでもよいが、二次電池とすることで熱電発電モジュール３が発電を開始した際には、熱電発電モジュール３からの出力によって消費した分の電力を充電することができる。

次に、上述の構成における発電装置の動作について、図３を用いて説明する。図３は電力の供給方向を示す説明図であって、（ａ）は、熱電発電モジュールによる発電開始前の電池部出力ラインであり、（ｂ）は熱電発電モジュールによる発電開始後の発電出力ラインである。そして、図中の矢印が電力の供給方向を示している。

この発電装置１では、発電開始の指示があると、まず渦流燃焼器４の燃焼を開始させるため、燃料ガスと燃焼用空気を予混合ガス導入経路２２に供給する。燃焼用空気を供給するためには、燃焼用空気供給部７を駆動させなければならないが、まだ熱電発電モジュール３は発電を開始していない。そのため、燃焼用空気供給部７は、図３（ａ）に示すように電池部１０から電力が供給されて駆動される。一方、燃料供給部６は、ガスボンベの圧力によって燃料を供給するため、電池部１０からの電力供給は不要である。

燃焼用空気供給部７の駆動が開始されると、燃料供給部６から供給される燃料ガスと、燃焼用空気供給部７から供給される燃焼用空気が、渦流燃焼器４の予混合ガス導入経路２２に流入して予混合ガスとなる。この予混合ガスは、予混合ガス導入経路２２を通って燃焼室２１内の接線方向に導入されることで高速の旋回流となり、点火装置８によって点火することで燃焼室２１に渦流火炎が形成される。点火装置８は、電池部１０から供給される電力によって駆動される。

ここで制御部９は、予混合ガスの点火時には、理論空気比に対して予混合ガスが燃料過濃状態となるよう燃焼用空気供給部７から供給される空気量を制御する。これにより、予混合ガスの着火精度が向上し、着火ミスを防止することができる。

また、制御部９は、予混合ガスに着火し、燃焼開始を検知すると、理論空気比に対して予混合ガスが燃料希薄状態となるよう燃焼用空気供給部７から供給される空気量を変更する。これにより、燃焼排ガス中に含まれる一酸化炭素濃度を低減することができる。燃焼中は、予混合ガスの濃度が一定に保たれるよう燃焼用空気が供給されて安定燃焼を継続する。

燃焼により発生した高温の燃焼排ガスは、燃焼室２１の下流端で折り返し、燃焼排ガス流路２３に導入される。燃焼排ガス流路２３は、燃焼器本体２０内を長手方向に向かって燃焼室２１と平行に延びており、燃焼排ガスはこの燃焼排ガス流路２３を通過する間に燃焼器本体２０との熱交換により燃焼器本体２０を加熱し、排気口２４から排出される。また、燃焼器本体２０は、燃焼室２１に形成される火炎によっても加熱される。

このように燃焼器本体２０は、渦流火炎と燃焼排ガスによって加熱されるので、放熱による熱の損失が抑えられ、燃焼によって発生した熱を効率よく熱電発電モジュールに伝熱することができる。

また、渦流燃焼器４においては、火炎は燃焼室２１内にのみ存在するため、燃焼器本体２０を小型に構成することができる。これにより発電装置１を小型に構成することができる。さらには、渦流火炎の高速な周方向回転速度によって火炎の熱が燃焼室２１を介して燃焼器本体２０全体に素早く熱伝達されるため、熱電発電モジュール３が均等に加熱されるので、高い発電効率を得ることができる。

燃焼により燃焼器本体２０が加熱されると、排気口２４から排出される燃焼排ガスの体積が膨張し、排気の抵抗が上昇する。この排気抵抗の上昇に伴い、燃焼用空気を導入する抵抗も上昇するため、燃焼用空気が取り入れられにくくなる。燃焼用空気が減少すると予混合ガスの濃度が変化して燃焼状態の悪化を招いてしまうため、制御部９は、燃焼器本体２０の温度に応じて燃焼用空気供給部７を制御する。図示しない温度検知手段により燃焼器本体２０の温度を検知し、この検知温度によって燃焼用空気供給部７を制御し、一定量の燃焼用空気が供給されるよう調整を行う。

なお、「温度に応じて」とは、温度検知手段により直接温度を検知することだけでなく、温度と相関の関係があるものを検知することも含む。例えば、圧力検知手段を設け、温度変化によって上昇する圧力を検知してもよいし、制御部９で燃焼開始からの時間を計測し、この経過時間によって燃焼器本体２０の温度を推定してもよい。このように、間接的に温度を検知して燃焼用空気供給部７を制御することも可能である。

燃焼器本体２０の熱が熱電発電モジュール３に伝達され、熱電発電モジュール３の高温側が加熱されると、低温側との温度差によって起電力が発生し発電開始となる。この熱電発電モジュール３の出力が安定し所定値以上となると、制御部は図３（ｂ）に示すように、燃焼用空気供給部７の駆動源をこれまでの電池部１０から熱電発電モジュール３の出力に切り替える。また、熱電発電モジュール３から供給される電力によって冷却部５の駆動が開始される。

冷却部５が駆動されることで、熱電発電モジュール３の低温側が冷却されるため、熱電発電モジュール３の低温側と高温側の温度差が大きくなり、熱電発電モジュール３の出力が上昇する。そして、発電装置１の駆動に必要な電力を差し引いた余剰の電力が出力部１１へ供給される。

また、制御部９は、熱電発電モジュール３の出力の一部を電池部１０へ供給し、電池部１０の充電を行わせることができる。これにより、電池部１０は燃焼開始時に燃焼用空気供給部７を駆動することで消費された電力を回収することができるので、電池部１０の交換が不要になり、利便性を向上させることができる。

このように、本発明の発電装置は、熱電発電モジュール３の加熱源として渦流燃焼器４を用いることで、発電効率に優れた可搬式の発電装置を小型に構成することが可能となる。そして、外部の電源に頼らない自立運転が可能であるため、屋外や災害時などにおいては特にその効果を発揮することとなる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、改良等が可能である。たとえば、外装ケース２内に、熱電発電モジュール３が発電した電力を蓄える蓄電池を設け、この蓄電池に出力部１１を接続するようにしてもよい。この場合、蓄電池に蓄えられる電力量が所定以下になったときに、熱電発電モジュール３での発電を行わせるよう制御することもできる。

２ 外装ケース
３ 熱電発電モジュール
４ 渦流燃焼器
５ 冷却部
６ 燃料供給部
７ 燃焼用空気供給部
９ 制御部
１０ 電池部
２０ 燃焼器本体
２１ 燃焼室
２３ 燃焼排ガス流路

Claims (8)

1. 高温側と低温側との温度差により発電する熱電発電モジュールと、前記熱電発電モジュールの高温側に設けられ、筒状の燃焼室内に渦流火炎を形成する渦流燃焼器と、前記熱電発電モジュールの低温側に設けられた冷却部と、前記渦流燃焼器に燃料ガスを供給する燃料供給部と、前記渦流燃焼器に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給部と、発電を制御する制御部と、電池部と、を備えることを特徴とする可搬式発電装置。
2. 前記渦流燃焼器は、前記燃焼室から排出される燃焼排ガスが流入する燃焼排ガス経路と、前記燃焼室および前記燃焼排ガス経路を内包する燃焼器本体と、を備え、前記燃焼器本体が渦流火炎と燃焼排ガスによって加熱されることを特徴とする請求項１記載の可搬式発電装置。
3. 前記制御部は、前記渦流燃焼器の温度に応じて燃焼用空気供給部を制御することを特徴とする請求項１または２記載の可搬式発電装置。
4. 前記制御部は、前記渦流燃焼器の着火時には燃料過濃状態とし、着火後は燃料希薄状態となるように燃焼用空気の供給量を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の可搬式発電装置。
5. 前記制御部は、燃焼開始時には前記燃焼用空気供給部を前記電池部により駆動し、前記熱電発電モジュールが発電を開始し出力が所定出力以上となると前記燃焼用空気供給部の駆動源を前記熱電発電モジュールに切り替えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の可搬式発電装置。
6. 前記電池部は前記熱電発電モジュールの出力により充電されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の可搬式発電装置。
7. 前記燃焼用空気供給部は遠心ターボファンであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の可搬式発電装置。
8. 外装ケースを備え、前記熱電発電モジュールと、前記渦流燃焼器と、前記冷却部と、前記燃料供給部と、前記燃焼用空気供給部と、前記電池部と、前記制御部とを該外装ケース内に収納してなる請求項１〜７のいずれか１つに記載の可搬式発電装置。

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