JP2019030159A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱源が不規則、不均一な火炎であっても、効率的にかつ均一に熱を吸収することのできる熱電発電装置を提供すること。【解決手段】熱電発電装置１は、火炎および高温の燃焼ガスを受ける受熱面６Ａを有する受熱板６と、受熱面６Ａとは反対側の面に配置される熱電発電モジュール７と、熱電発電モジュール７の受熱板６が配置される面とは反対側の面に配置される冷却板５と、受熱面６Ａを覆うように設けられ、火炎および高温の燃焼ガスを導入する熱導入口４Ａ、熱導入口４Ａから導入され、温度の低下した燃焼ガスを排出する熱排出口４Ｂを有するカバー部材４と、受熱面６Ａ上に設けられ、熱導入口４Ａに応じた位置に配置され、熱導入口４Ａから導入された燃焼ガスを受熱面６Ａに沿って拡散する拡散部材１０と、拡散部材１０を囲むように、受熱面６Ａ上に設けられ、拡散部材１０により拡散された高温の燃焼ガスの熱を吸収する吸熱部材１１とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、熱電発電装置に関する。

従来、ゼーベック効果を利用した熱電発電モジュールを２枚の温度の異なる金属製の板に挟み込んだ熱電発電装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の熱電発電装置は、熱処理炉で使用済みのガスを排気するにあたり、このガスを燃料としてガスバーナにて燃焼させ、その火炎により金属製の受熱板を加熱し、冷却板を冷却水で冷却している。熱電発電モジュールは、受熱板および冷却板の温度差からゼーベック効果により電力を発生させ、電気に変換している。
また、特許文献２に記載の熱発電装置では、湯沸かし器の火炎の熱を加熱プレートに吸収する吸熱手段として、加熱プレートの加熱面上にフィンが設けられた技術が開示されている。

特開２０１３−８０８８３号公報 特開平１１−５５９７５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、受熱板に当たる火炎が不均一であるため、受熱板全体の温度を均一に上昇させることができず、熱電発電モジュールによって効率的に発電することを阻害するという課題がある。
また、特許文献２に記載の技術によれば、吸熱手段により吸熱効果を向上させることは可能であるが、熱処理炉等から噴出する火炎は不規則であり、フィンを設けるだけでは、受熱板で確実に熱を吸収することが困難であるという課題がある。

本発明の目的は、加熱源が不規則、不均一な火炎であっても、効率的にかつ均一に熱を吸収することのできる熱電発電装置を提供することにある。

本発明の熱電発電装置は、
火炎および高温の燃焼ガスを受ける受熱面を有する受熱板と、
前記受熱面とは反対側の面に配置される熱電発電モジュールと、
前記熱電発電モジュールの前記受熱板が配置される面とは反対側の面に配置される冷却板と、
前記受熱面を覆うように設けられ、火炎および高温の燃焼ガスを導入する熱導入口、前記熱導入口から導入され、温度の低下した燃焼ガスを排出する熱排出口を有するカバー部材と、
前記受熱面上に設けられ、前記熱導入口に応じた位置に配置され、前記熱導入口から導入された燃焼ガスを前記受熱面に沿って拡散する拡散部材と、
前記拡散部材を囲むように、前記受熱面上に設けられ、前記拡散部材により拡散された高温の燃焼ガスの熱を吸収する吸熱部材と、
を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、カバー部材が熱導入口を備えていることにより、熱処理炉等から噴出された火炎および高温の燃焼ガスを効率的に受熱板に導入することができる。そして、カバー部材が熱排出口を備えていることにより、受熱板で熱を吸収した後、温度の低下した燃焼ガスを熱排出口から外部に排出し、新たな火炎および高温の燃焼ガスを熱導入口から受熱板に導入することができる。
また、拡散部材を備えていることにより、熱導入口から導入された熱気を受熱面に沿って拡散することができるため、受熱板で均一に熱を吸収することができる。そして、吸熱部材が拡散部材を囲むように配置されることにより、拡散部材により拡散された燃焼ガスの熱エネルギーを吸熱部材により、効率的に受熱板に伝達することができる。
したがって、火炎が不規則、不均一に噴出されても、受熱板を均一かつ効率的に加熱することができる。

本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置を適用した熱処理炉の構造を示す模式図。 前記実施形態における熱電発電装置の構造を示す上部斜視図。 前記実施形態における熱電発電装置の構造を示す下部斜視図。 前記実施形態における熱電発電装置の構造を示す断面図。 前記実施形態における熱電発電装置を構成する熱電発電モジュールの構造を示す断面図。 前記実施形態における熱電発電装置の構造を示す底面図。 本発明の第２実施形態の熱電発電装置を構成する受熱板の構造を示す斜視図。 本発明の第３実施形態の熱電発電装置を構成する受熱板の構造を示す斜視図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［１］熱電発電装置１が適用される熱処理炉１００
図１には、本実施形態に係る熱電発電装置１を適用した、ガス浸炭炉等の熱処理炉１００が示されている。熱処理炉１００で使用済みのガスを排気するにあたり、排気口１０１から排出されるガスを燃料として、パイロットバーナ１０３にて着火、燃焼させ、排気ダクト１０２を通して排気している。
排気ダクト１０２の下方には、着火用のパイロットバーナ１０３が設けられ、排気口１０１の火炎が届く位置に熱電発電装置１が配置されている。熱電発電装置１は、排気口１０１からの火炎で炙られることにより、ガス燃焼時の熱エネルギーを電気に変換している。なお、熱電発電装置１は、高温の火炎で炙られる部位に設けられればよく、熱処理炉１００に適用される場合に限らない。

［２］熱電発電装置１の構造
図２から図４には、熱電発電装置１の構造が示されている。図２は上部から見た斜視図であり、図３は下部から見た斜視図であり、図４は断面図である。
熱電発電装置１は、熱電発電装置本体２、上カバー部材３、および下カバー部材４を備える。熱電発電装置１は、上カバー部材３によって熱電発電装置本体２の上部に排気口１０１の火炎と燃焼ガスが回り込むのを防止し、下カバー部材４によって排気口１０１の火炎および高温の燃焼ガスを熱電発電装置本体２に導いている。

［2-1］熱電発電装置本体２の構造
熱電発電装置本体２は、冷却板５、受熱板６、および熱電発電モジュール７を備える。
冷却板５は、熱電発電モジュール７を冷却する冷却手段であり、たとえばアルミニウム製の矩形厚板板状体から構成される。
冷却板５の内部には、図４に示すように、内部に冷却水が流通する冷却回路５Ａが形成され、冷却水５Ａ内部に冷却水が流通すると、冷却板５は、全体が２０℃から４０℃程度に冷却維持される。冷却回路５Ａには、冷却水の供給管路５Ｂ、および戻し管路５Ｃが接続され、供給管路５Ｂから冷却水が供給され、冷却回路５Ａで冷却板５の冷却を行った後、戻し管路５Ｃから排出される。

受熱板６は、図４に示すように、排気口１０１の火炎の熱エネルギーを吸収する受熱面６Ａを有し、熱電発電モジュール７を加熱する加熱手段であり、たとえば、アルミニウム製の矩形厚板板状体から構成される。
受熱板６には、受熱面６Ａとは反対側の面に、複数の雌ねじ孔６Ｂが形成されている。また、受熱板６の内部には、ヒートパイプ６Ｃが２箇所設けられ、受熱面６Ａには、複数の雌ねじ孔６Ｄが形成されている。
ヒートパイプ６Ｃは、受熱面６Ａで受けた熱を受熱板６内で均熱化する均熱化部材として機能する。具体的には、ヒートパイプ６Ｃは、内壁に毛細管構造を形成した金属パイプの内部を負圧にし、作動液として少量の水を封入したものである。蒸発潜熱により熱エネルギーを吸収すると、作動液が蒸発して低温部へ移動し、管壁に接触して凝縮潜熱による熱の放出が行われ、これを繰り返すことにより、熱エネルギーを効率的に移動させる。

熱電発電モジュール７は、図５に示すように、基板７１、電極７２、および熱電素子７Ｐ、７Ｎを備える。
基板７１は、セラミックやポリイミド製のフィルムなどから構成され、高温側および低温側に一対有し、互いに対向配置されている。
電極７２は、それぞれの基板７１の対向面に形成され、銅等の金属材料から構成される。

熱電素子７Ｐ、７Ｎは、対向する電極７２の間に介在し、Ｐ型の熱電素子７ＰおよびＮ型の熱電素子７Ｎが交互に配列される。
Ｐ型の熱電素子７ＰおよびＮ型の熱電素子７Ｎの端面は、電極７２に半田接合され、熱電発電モジュール７は、Ｐ型の熱電素子７ＰおよびＮ型の熱電素子７Ｎが交互に直列に接続された回路を形成する。
受熱板６および熱電発電モジュール７の基板７１の間には、カーボンシート７３が介装される。冷却板５および基板７１の間にも、カーボンシート７３が介装される。カーボンシート７３は、受熱板６から伝熱された熱を基板７１に伝熱するとともに、上側の基板７１の熱を冷却板５に伝導する伝熱層として機能する。

このような構成の冷却板５、受熱板６、熱電発電モジュール７、およびカーボンシート７３は、５つの第１締結部材８および８つの第２締結部材９によって一体化されている。
第１締結部材８は、図４に示すように、ボルト８Ａ、受け部材８Ｂおよびコイルばね８Ｃを備える。ボルト８Ａは、冷却板５、熱電発電モジュール７およびカーボンシート７３を貫通して、受熱板６の雌ねじ孔６Ｂに螺合する。

受け部材８Ｂは、ボルト８Ａに挿通される金属製の筒状体として構成され、一端にフランジが形成されている。
コイルばね８Ｃは、受け部材８Ｂの外周部分に挿入され、ボルト８Ａが受熱板６の雌ねじ孔６Ｂに螺合したときに、受け部材８Ｂのフランジによって挿入方向に圧縮され、冷却板５を受熱板６側に付勢する。
第２締結部材９は、受熱板６および冷却板５を外周端部で締結する部材であり、第１締結部材８と略同様の構成とされ、ボルト９Ａ、受け部材９Ｂ、およびコイルばね９Ｃを備える。

［2-2］上カバー部材３、下カバー部材４の構造
上カバー部材３は、後述する下カバー部材４の熱排出口４Ｂから排出された火炎と燃焼ガスが、冷却板５の上面に配置された部品に回り込むことを防止するために設けられ、冷却板５を覆う金属製の箱状体から構成される。上カバー部材３の側面には、冷却水の供給管路５Ｂおよび戻し管路５Ｃを引き通すための開口３Ａが形成されている。
下カバー部材４は、排気口１０１から噴出される火炎および高温の燃焼ガスを受熱板６の受熱面６Ａに導くために設けられ、受熱板６の受熱面６Ａを覆う金属製の箱状体から構成される。下カバー部材４の箱状体の底面には、円形状の熱導入口４Ａが１つ形成され、下カバー部材４の箱状体の側面には、矩形状の熱排出口４Ｂが複数形成されている。

熱導入口４Ａは、受熱板６の略中央に排気口１０１の火炎および高温の燃焼ガスを導くために形成され、受熱板６の略中央に応じた位置に形成されている。なお、本実施形態では、熱導入口４Ａは、排気口１０１の火炎の形状に応じた円形状の孔として形成されているが、これに限らず、矩形状の孔であってもよく、１つだけでなく、複数形成されていてもよい。
熱排出口４Ｂは、熱導入口４Ａから導入された火炎および高温の燃焼ガスが受熱板６を加熱した後、温度の低下した燃焼ガスを外部に排出するために形成されている。熱排出口４Ｂは、下カバー部材４の四周の側面のそれぞれに複数形成され、下カバー部材４の側面に縦長の矩形孔として形成されている。なお、本実施形態では、縦長の矩形孔として熱排出口４Ｂを形成しているが、これに限らず、横長の矩形孔を複数形成してもよいし、また、長円孔で形成してもよい。

熱導入口４Ａの開口面積は、複数の熱排出口４Ｂの総開口面積よりも大きく設定されている。このように熱導入口４Ａの開口面積を大きくすることにより、熱導入口４Ａから火炎と高温の燃焼ガスを取り入れると、下カバー部材４の内部の気圧は、下カバー部材４の外気圧よりも高く保たれ、下カバー部材４の内部には、低温の外気が侵入しない。また、下カバー部材４が外気との間の壁を形成することにより、高温の燃焼ガスを下カバー部材４の内部に留まらせる効果があり、高温状態を長時間保持することができる。

［2-3］拡散部材１０および吸熱部材１１の構造
前述した受熱板６の受熱面６Ａには、図３および図４に示すように、拡散部材１０および吸熱部材１１が設けられている。
拡散部材１０は、下カバー部材４の熱導入口４Ａから導入された火炎および高温の燃焼ガスの熱エネルギーを吸収するとともに、燃焼ガスを受熱板６の外周に拡散する部材であり、下カバー部材４の熱導入口４Ａの位置に応じた受熱板６の受熱面６Ａ上に設けられる。本実施形態では、熱導入口４Ａが、受熱面６Ａの略中央に配置されているため、拡散部材１０は、受熱面６Ａの略中央に配置される。

拡散部材１０は、図４および図６に示すように、ベース１０Ａおよび拡散部１０Ｂを備える。
ベース１０Ａは、アルミニウム等の熱伝導性の良好な矩形状の金属板から構成され、受熱板６の受熱面６Ａに熱伝導性接着剤を介して密着している。ベース１０Ａは、受熱面６Ａに形成された雌ねじ孔６Ｄにボルトを螺合することより、受熱面６Ａ上に固定されている。
拡散部１０Ｂは、ベース１０Ａの面外方向に起立する複数の金属製の柱状体から構成され、ベース１０Ａと一体に形成される。拡散部１０Ｂは、熱導入口４Ａから導入された燃焼ガスを、受熱板６の外周に拡散するとともに、自身も火炎で熱せられると同時に、燃焼ガスの熱エネルギーを吸収する吸熱部材としても機能する。

吸熱部材１１は、図４および図６に示すように、拡散部材１０を囲むように、受熱面６Ａ上に設けられる。本実施形態では、拡散部材１０の周りに８個の吸熱部材１１が設けられている。
吸熱部材１１は、拡散部材１０によって拡散された燃焼ガスの熱エネルギーを吸収する部材であり、ベース１１Ａおよび吸熱部１１Ｂを備える。
ベース１１Ａは、拡散部材１０と同様に、アルミニウム等の熱伝導性の良好な矩形状の金属板から構成され、受熱板６の受熱面６Ａに熱伝導性接着剤を介して密着している。ベース１１Ａは、受熱面６Ａに形成された雌ねじ孔６Ｄにボルトを螺合することにより、受熱面６Ａ上に固定されている。
吸熱部１１Ｂは、ベース１１Ａの面外方向に起立する複数の金属製の柱状体から構成され、ベース１１Ａと一体に形成される。なお、本実施形態では、吸熱部１１Ｂの高さは、拡散部材１０の拡散部１０Ｂよりも低い高さに設定されているが、同じ高さ、あるいは高く設定してもよい。吸熱部１１Ｂは、拡散部材１０の拡散部１０Ｂによって拡散された高温の燃焼ガスにより加熱されて、燃焼ガスの熱エネルギーを吸収する。

［３］実施形態の作用および効果
このような構造の熱電発電装置１では、排気口１０１から火炎が噴出されると、下カバー部材４の熱導入口４Ａに火炎および高温の燃焼ガスが導入される。導入された火炎および高温の燃焼ガスは、拡散部材１０の拡散部１０Ｂを加熱するとともに、図６の矢印に示すように、受熱面６Ａに沿って受熱板６の外周方向に拡散する。
拡散した火炎および高温の燃焼ガスは、吸熱部材１１の吸熱部１１Ｂを加熱し、温度の低下した燃焼ガスが、熱排出口４Ｂから外部に排出される。

加熱された拡散部１０Ｂおよび吸熱部１１Ｂの熱は、ベース１０Ａ、１１Ａに伝達し、熱伝導性接着剤を介して、受熱面６Ａに伝達される。
受熱面６Ａに伝達された熱は、ヒートパイプ６Ｃにより受熱板６の全体に拡散し、受熱板６が均熱化される。
均熱化された受熱板６と冷却板５の温度差によって、熱電発電モジュール７が発電する。

このような本実施形態によれば、下カバー部材４が熱導入口４Ａを備えていることにより、熱処理炉１００の排気口１０１から噴出する火炎および高温の燃焼ガスを効率的に受熱板６に導入することができる。そして、下カバー部材４が複数の熱排出口４Ｂを備えていることにより、受熱板６を加熱した後の温度の低下した燃焼ガスを熱排出口４Ｂから外部に排出し、新たな火炎および高温の燃焼ガスを熱導入口４Ａから受熱板６に導入することができる。

拡散部材１０を備えていることにより、熱導入口４Ａから導入された熱エネルギーを受熱面６Ａに沿って拡散することができる。そして、吸熱部材１１が拡散部材１０を囲むように配置されることにより、拡散部材１０により拡散された熱を、吸熱部材１１により効率的に受熱板６に伝達することができる。
したがって、熱処理炉１００の排気口１０１の火炎が不規則、不均一に噴出されても、受熱板６を均一かつ効率的に加熱することができる。

拡散部材１０が吸熱機能を備えていることにより、吸熱部材１１による熱エネルギーの吸収だけでなく、拡散部材１０自身も熱エネルギーを吸収するので、受熱板６を一層均一に加熱することができる。
受熱板６がヒートパイプ６Ｃを備えていることにより、受熱板６の一部に伝達された熱を全体に拡散することができるため、受熱板６を一層均一に加熱することができる。

［４］第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同一の部分については、同一符号を付して説明を省略する。
前述した第１実施形態では、受熱板６の受熱面６Ａ上に拡散部材１０および吸熱部材１１を雌ねじ孔６Ｄにボルト等を用いてねじ止め固定していた。
これに対して、本実施形態では、図７に示すように、受熱板１２上に板状の複数のリブからなる拡散部材１２Ａ、吸熱部材１２Ｂを一体形成している点が相違する。

拡散部材１２Ａは、受熱板１２の略中央を中心とする円に沿って配列される複数のリブから構成されている。各リブは、受熱板１２と同様のアルミニウム等の熱伝導性の良好な金属板状体から構成されている。
吸熱部材１２Ｂは、受熱板１２の矩形の外周縁に沿って配列される複数のリブから構成されている。各リブは、受熱板１２と同様のアルミニウム等の熱伝導性の良好な金属板状体から構成される。
受熱板１２の内部には、第１実施形態と同様にヒートパイプ６Ｃが２箇所設けられている。
このような受熱板１２、拡散部材１２Ａ、および吸熱部材１２Ｂは、鋳型等による鋳造により製造される。

本実施形態では、拡散部材１２Ａの位置に熱導入口４Ａに火炎および高温の燃焼ガスが導入され、拡散部材１２Ａを構成するリブに沿って、熱エネルギーは外周方向に拡散するとともに、拡散部材１２Ａも加熱する。
拡散された高温の燃焼ガスは、吸熱部材１２Ｂに熱を吸収され、熱を吸収された後の燃焼ガスは、熱排出口４Ｂから外部に排出される。
このような本実施形態のよっても前述した第１実施形態と同様の作用および効果を奏することができる。

［５］第３実施形態
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
前述した第２実施形態では、拡散部材１２Ａおよび吸熱部材１２Ｂは、受熱板１２と一体形成される複数のリブから構成されていた。
これに対して、本実施形態では、図８に示すように、拡散部材１３Ａおよび吸熱部材１３Ｂは、受熱板１３に一体形成された複数の柱状体から構成されている点が相違する。

拡散部材１３Ａは、受熱板１３の略中央の熱導入口４Ａに応じた位置に設けられ、受熱板１３から起立する複数の柱状体から構成される。各柱状体は、アルミニウム等の熱伝導性の良好な金属材料から構成される。
吸熱部材１３Ｂは、拡散部材１３Ａを囲むように設けられ、受熱板１３から起立する複数の柱状体から構成される。吸熱部材１３Ｂの各柱状体の高さは、第１実施形態とは異なり、拡散部材１３Ａを構成する柱状体の高さよりも大きく設定されている。
これにより、第１実施形態で述べた効果に加え、吸熱部材１３Ｂの表面積が大きくなるので、吸熱部材１３Ｂによる熱エネルギーの吸収効果を向上させることができ、受熱板１３を一層均一に加熱することができる。

［６］実施形態の変形
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
たとえば、前記実施形態では、熱電発電装置１は、熱処理炉１００に適用されていたが、これに限らず、火炎を噴出する熱源であれば、他の熱源に熱電発電装置１を適用してもよい。

前記実施形態では、受熱板６、１２、１３の受熱面から起立する拡散部材１０、１２Ａ、１３Ａおよび吸熱部材１１、１２Ｂ、１３Ｂとしていたが、本発明はこれに限られない。たとえば、受熱板６、１２、１３の受熱面に溝を、拡散部材および吸熱部材として形成し、熱導入口４Ａから導入された熱を外周に拡散、吸収させてもよい。
その他、本発明の具体的な構造および形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。

１…熱電発電装置、２…熱電発電装置本体、３…上カバー部材、３Ａ…開口、４…下カバー部材、４Ａ…熱導入口、４Ｂ…熱排出口、５…冷却板、５Ａ…冷却回路、５Ｂ…供給管路、５Ｃ…戻し管路、６…受熱板、６Ａ…受熱面、６Ｂ…雌ねじ孔、６Ｃ…ヒートパイプ、６Ｄ…雌ねじ孔、７…熱電発電モジュール、７Ｎ…熱電素子、７Ｐ…熱電素子、８…第１締結部材、８Ａ…ボルト、８Ｂ…受け部材、８Ｃ…コイルばね、９…第２締結部材、９Ａ…ボルト、９Ｂ…受け部材、９Ｃ…コイルばね、１０…拡散部材、１０Ａ…ベース、１０Ｂ…拡散部、１１…吸熱部材、１１Ａ…ベース、１１Ｂ…吸熱部、１２…受熱板、１２Ａ…拡散部材、１２Ｂ…吸熱部材、１３…受熱板、１３Ａ…拡散部材、１３Ｂ…吸熱部材、７１…基板、７２…電極、７３…カーボンシート、１００…熱処理炉、１０１…排気口、１０２…排気ダクト、１０３…パイロットバーナ。

Claims (4)

1. 火炎および高温の燃焼ガスを受ける受熱面を有する受熱板と、
   前記受熱面とは反対側の面に配置される熱電発電モジュールと、
   前記熱電発電モジュールの前記受熱板が配置される面とは反対側の面に配置される冷却板と、
   前記受熱面を覆うように設けられ、火炎および高温の燃焼ガスを導入する熱導入口、前記熱導入口から導入され、温度の低下した燃焼ガスを排出する熱排出口を有するカバー部材と、
   前記受熱面上に設けられ、前記熱導入口に応じた位置に配置され、前記熱導入口から導入された燃焼ガスを前記受熱面に沿って拡散する拡散部材と、
   前記拡散部材を囲むように、前記受熱面上に設けられ、前記拡散部材により拡散された高温の燃焼ガスの熱を吸収する吸熱部材と、
   を備えていることを特徴とする熱電発電装置。
2. 請求項１に記載の熱電発電装置において、
   前記拡散部材は、吸熱機能を備えていることを特徴とする熱電発電装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置において、
   前記受熱板には、前記受熱面で受けた熱を均熱化する均熱化部材が設けられていることを特徴とする熱電発電装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱電発電装置において、
   前記熱導入口の開口面積は、前記熱排出口の開口面積よりも大きいことを特徴とする熱電発電装置。

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