JP2022167160A - 熱電発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱電発電装置における発電量を向上させつつ、熱電発電装置を小型化できる熱電発電システムを提供する。【解決手段】熱電発電装置１０は、熱電発電ユニット２０の加熱部２１１と伝熱管２２とからなるサーモサイホン式熱交換器によって、流路５０を流れる高温ガスから熱を回収し発電を行う。サーモサイホン式熱交換器には、熱媒体を貯留する貯留タンク３０が連通状態で接続されており、サーモサイホン式熱交換器から貯留タンク３０への熱媒体の移送、および貯留タンク３０からサーモサイホン式熱交換器への熱媒体の返送により、サーモサイホン式熱交換器内の熱媒体の量を調節可能である。貯留タンク３０は、少なくとも一部が流路５０中に設置されることで貯留している熱媒体が加熱されるとともに、冷却機能をＯＮ／ＯＦＦ可能な冷却器３２によって貯留している熱媒体を冷却可能である。【選択図】図６

Description

本発明は、熱電発電装置を高温ガスが流れる流路に対して設置し、高温ガスからの回収熱を熱電発電装置に与えて発電を行う熱電発電システムに関する。

従来、熱電素子の一方の面に熱媒流路を備える加熱部を設けるとともに、熱電素子の他方の面に冷媒流路を備える冷却部を設け、熱電素子の両面における加熱部と冷却部との温度差によって発電する熱電発電装置が知られている。また、特許文献１には、熱電発電装置における熱媒流路の一部を高温ガスが流れるダクトなどに設置し、熱電発電装置を高温ガスからの回収熱を利用して発電を行う熱電発電システムとして利用することが開示されている。

特許第６６８５８８０号公報

特許文献１の熱電発電装置は、熱媒流路を流れる熱媒体の圧力または温度を調整することで発電量を向上させたものとなっている。しかしながら、特許文献１の熱電発電装置でも、装置の構成の簡略化や小型化といった観点でさらなる改良の余地がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、熱電発電装置における発電量を向上させつつ、熱電発電装置を小型化できる熱電発電システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の熱電発電システムは、加熱流路からの回収熱を熱電発電装置に与えて発電を行う熱電発電システムであって、前記熱電発電装置は、前記回収熱を熱電素子に与える熱交換器と、前記熱交換器内の熱媒体を貯留する貯留タンクと、を備えており、前記貯留タンクの少なくとも一部が前記加熱流路内に設置されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、貯留タンク内の熱媒体を常に加熱しながら、貯留タンクと熱交換器との間で熱媒体の移送／返送を行い、熱電発電装置における発電量を向上させることができる。加えて、貯留タンクの少なくとも一部を、加熱流路中に設置することで、貯留タンクに対して他の加熱手段（ヒータや加熱熱交換器など）を設けることが不要となり、熱電発電装置の構成の簡略化および小型化を図ることができる。

また、上記熱電発電システムでは、前記貯留タンクは、前記加熱流路の外部において、前記貯留タンクに接続されたヒートパイプを有しており、前記ヒートパイプには、前記ヒートパイプ内の熱媒体を冷却する冷却部が設けられている構成とすることができる。

上記の構成によれば、冷却部による冷却機能をＯＮ／ＯＦＦ制御することで、貯留タンク内の熱媒体圧力を調整し、貯留タンクと熱交換器との間で熱媒体の移送／返送を制御することができる。また、冷却部が貯留タンクのヒートパイプに対して外部から冷却を行うようにすることで、冷却機能を安定化させることができる。

また、上記熱電発電システムでは、前記ヒートパイプは、その両端が前記貯留タンクに接続され、高さ方向にループ回路を形成している構成とすることができる。

上記の構成によれば、ヒートパイプが高さ方向にループ回路を形成することで、冷却を受ける熱媒体がサーモサイホン効果によってヒートパイプ内を循環し、冷却機能のＯＮ時における冷却効率を向上させることができる。

また、上記熱電発電システムでは、前記冷却部は、前記熱媒体の冷却に用いる冷却水を循環させる冷却水流路管と、前記貯留タンク内の圧力を検知する圧力センサとを有しており、前記圧力センサの検知信号に基づいて前記冷却水流路管内を流れる冷却水の流量を調整可能である構成とすることができる。

上記の構成によれば、冷却部において冷却水の流量調整を行うことで、熱電発電装置における熱媒体の圧力制御をより高精度に行うことができる。

また、上記熱電発電システムでは、前記ヒートパイプに開閉制御または開度制御可能な制御弁が設けられており、前記制御弁によって前記ヒートパイプと前記貯留タンクとの間での前記熱媒体の移動が制御可能である構成とすることができる。

上記の構成によれば、ヒートパイプと貯留タンクとの間での熱媒体の移動を制御することで、冷却部における冷却機能の制御を行うことができる。

また、上記熱電発電システムでは、前記貯留タンクは、複数の前記熱交換器に接続されており、複数の前記熱交換器における前記熱媒体の循環経路が連結管によって連結されている構成とすることができる。

上記の構成によれば、複数の熱交換器における熱媒体の循環経路を連結することで、複数の熱交換器内の圧力を同じにすることができる。これにより、複数の熱交換器に対し１つの貯留タンクで熱媒体の総量を制御することが可能となり、熱電発電装置の構成を簡素化することができる。

また、上記熱電発電システムでは、複数の前記熱交換器は、前記加熱流路内に設置されており、前記熱交換器から前記貯留タンクへの前記熱媒体の移送は、熱源温度の最も低い前記熱交換器において行われ、前記貯留タンクから前記熱交換器への前記熱媒体の返送は、前記熱源温度の最も高い前記熱交換器において行われる構成とすることができる。

上記の構成によれば、複数の熱交換器が加熱流路において熱源温度の異なる状態で設置される場合、熱源温度の低い熱交換器では熱媒体の総量が多い状態となりやすく、熱源温度の高い熱交換器では熱媒体の総量が少ない状態となりやすい。これに対し、熱交換器から貯留タンクへの熱媒体の移送を、熱源温度の最も低い熱交換器において行い、貯留タンクから熱交換器への熱媒体の返送を、熱源温度の最も高い熱交換器において行うことで、熱媒体の偏在を解消することができる。

また、上記熱電発電システムでは、複数の前記熱交換器は、高さ方向において、前記加熱流路内に異なる位置で設置されており、前記熱交換器から前記貯留タンクへの前記熱媒体の移送は、設置位置の最も低い前記熱交換器において行われ、前記貯留タンクから前記熱交換器への前記熱媒体の返送は、設置位置の最も高い前記熱交換器において行われる構成とすることができる。

上記の構成によれば、複数の熱交換器が加熱流路において設置位置の高さが異なる状態
で設置される場合、設置位置の低い熱交換器では熱媒体の総量が多い状態となりやすく、設置位置の高い熱交換器では熱媒体の総量が少ない状態となりやすい。これに対し、熱交換器から貯留タンクへの熱媒体の移送を、設置位置の最も低い熱交換器において行い、貯留タンクから熱交換器への熱媒体の返送を、設置位置の最も高い熱交換器において行うことで、熱媒体の偏在を解消することができる。

また、上記熱電発電システムでは、前記熱交換器は、前記加熱流路内に設置され、前記加熱流路を流れる熱源の熱によって前記熱媒体を加熱する伝熱管群を有しており、前記貯留タンクは前記伝熱管群内のすき間部に設置されている構成とすることができる。

上記の構成によれば、貯留タンクを伝熱管群内のすき間部に挿入する形で設置することで、貯留タンク用の設置スペースが不要となり、熱電発電システムにおける熱電発電装置の省スペース化を図ることができる。

また、上記熱電発電システムでは、前記貯留タンクは、前記熱交換器よりも前記加熱流路における熱源の温度の低い位置に設置されている構成とすることができる。

上記の構成によれば、貯留タンクの設置箇所を熱交換器の下流側とすることで、加熱流路内での熱交換器の熱回収能力に影響を与えることがなくなる。

また、上記熱電発電システムは、前記熱交換器から前記貯留タンクへの前記熱媒体の移送、および前記貯留タンクから前記熱交換器への前記熱媒体の返送を、タイマー動作により所定のサイクルで切り替え可能な制御部を有する構成とすることができる。

上記の構成によれば、熱媒体の総量が多い状態となりやすい熱交換器から熱媒体の総量が少ない状態となりやすい熱交換器への熱媒体の移動を促すことができ、複数の熱交換器へ間での熱媒体の偏在を効果的に解消することができる。

また、上記熱電発電システムは、前記熱交換器から前記貯留タンクへの前記熱媒体の移送、および前記貯留タンクから前記熱交換器への前記熱媒体の返送を、複数の前記熱交換器のうち前記熱媒体が最も不足傾向となる前記熱交換器の熱媒体温度に基づいて切り替え可能な制御部を有する構成とすることができる。

上記の構成によれば、熱媒体の総量が多い状態となりやすい熱交換器から熱媒体の総量が少ない状態となりやすい（熱媒体が最も不足傾向となる）熱交換器への熱媒体の移動を促すことができ、複数の熱交換器へ間での熱媒体の偏在を効果的に解消することができる。

本発明の熱電発電システムは、貯留タンク内および熱交換器内の熱媒体圧力を調整して熱電発電装置における発電量を向上させたシステムにおいて、貯留タンクに対して他の加熱手段を設けることを不要とし、熱電発電装置の構成の簡略化および小型化を図ることができるといった効果を奏する。

本発明の熱電発電システムに適用可能な熱電発電装置の構成例を模式的に示す図である。 熱電発電装置から熱電発電ユニットを抜き出して示す斜視図である。 熱電発電ユニットにおける発電部の縦断面図である。 加熱部および伝熱管によって形成される循環経路を模式的に示す図である。 熱源ガス温度と熱媒体飽和温度との関係を示すグラフである。 熱電発電システムの実施例１の構成を模式的に示す図である。 熱電発電システムの実施例２の構成を模式的に示す図である。 熱電発電システムの実施例３の構成を模式的に示す図である。 熱電発電システムの実施例４の構成を模式的に示す図である。 熱電発電システムの実施例５の構成を模式的に示す図である。 熱電発電システムの実施例６の構成を模式的に示す図である。 熱電発電システムの実施例７の構成を模式的に示す図である。 熱電発電システムの実施例８の構成を模式的に示す図である。 熱電発電システムの実施例９における伝熱管と貯留タンクとの設置関係を示す図である。 熱電発電システムの実施例１０における熱電発電ユニットと貯留タンクとの設置関係を示す図である。 熱電発電システムの実施例１１における電磁弁の開閉制御を示すタイミングチャートである。 熱電発電システムの実施例１２における電磁弁の開閉制御を示すタイミングチャートである。 熱電発電システムの実施例１３における熱電発電ユニットの設置状態を示す図である。 熱電発電システムの実施例１４における熱源ガス温度とタンク挿入長／タンク全長との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の熱電発電システムに適用可能な熱電発電装置１０の構成例を模式的に示す図である。図１に示すように、熱電発電装置１０は、熱電発電ユニット２０と貯留タンク３０とを接続した構成とされている。

〔熱電発電ユニット２０〕
図２は、熱電発電装置１０から熱電発電ユニット２０を抜き出して示す斜視図である。図２に示すように、熱電発電ユニット２０は大略的に発電部２１と伝熱管２２とによって構成されている。図３は、熱電発電ユニット２０における発電部２１の縦断面図である。

発電部２１は、一方の面に加熱部２１１が設けられるとともに、他方の面に冷却部２１２が設けられる熱電素子２１０を備えている。本例の発電部２１では、図３に示すように、熱電素子２１０は、加熱部２１１の両面に設けられており、それぞれの熱電素子２１０を介して加熱部２１１の両面に、冷却部２１２がそれぞれ対向して設けられている。

熱電素子２１０は、加熱部２１１が設けられる一方の面（高温側）と、冷却部２１２が設けられる他方の面（低温側）の２つの面を有する素子である。熱電素子２１０は、加熱部２１１により一方の面が加熱されるとともに、冷却部２１２により他方の面が冷却されることによって、その温度差を利用して発電を行う。熱電素子２１０の厚さは、熱電素子２１０の一方の面および他方の面の大きさ（幅）よりも小さく設計されている。具体的には、熱電素子２１０は、板状に形成されている。図３の例では、複数の熱電素子２１０を直列に接続した熱電モジュール２１０Ａ，２１０Ｂが、加熱部２１１の両面に貼り付けられている。具体的には、４列×５行の２０個の熱電素子２１０を有する熱電モジュール２１０Ａ，２１０Ｂが、加熱部２１１の両面に貼り付けられている。尚、熱電素子２１０の数は、これに限定されない。例えば、発電部２１は、加熱部２１１の両面にそれぞれ１つの熱電素子２１０を貼り付ける構成であってもよい。

加熱部２１１は、熱伝導性に優れた金属材料によって形成されている。加熱部２１１は、熱電素子２１０の一方の面に接触する板状に形成されている。加熱部２１１は、伝熱管２２と接続され、加熱部２１１と伝熱管２２とはそれぞれ互いに連通する内部空間を有している。加熱部２１１および伝熱管２２の内部空間は、熱媒体が循環する循環経路を形成している。熱媒体の種類は特に限定されるものではないが、例えば水を用いることができる。

冷却部２１２は、熱伝導性に優れた金属材料によって形成されている。冷却部２１２は、熱電素子２の他方の面に接触する板状に形成されている。冷却部２１２の内部には、冷却液が流れる冷却液流路が形成されている。尚、図２における２１２ａは冷却液流入菅（図示せず）を接続するための冷却液流入口であり、図２における２１２ｂは冷却液排出菅（図示せず）を接続するための冷却液排出口である。すなわち、冷却部２１２内部の冷却液流路を流れる冷却液は、冷却液流入口２１２ａから流入し、冷却液排出口２１２ｂから排出される。冷却液の種類は特に限定されるものではないが、例えば水を用いることができる。

〔貯留タンク３０〕
貯留タンク３０は、熱電発電ユニット２０の加熱部２１１において使用される熱媒体を貯留しており、連通管４０を介して加熱部２１１と接続されている。すなわち、加熱部２１１と貯留タンク３０とは、連通管４０を介して連通状態となっている。貯留タンク３０は、状況に応じて加熱部２１１に熱媒体を供給したり、あるいは加熱部２１１から熱媒体を回収したりする。尚、本実施の形態では、熱電発電装置１０において１つの貯留タンク３０が設けられる構成を例示しているが、熱電発電装置１０において貯留タンク３０は複数設けられていてもよい。

また、貯留タンク３０には加熱器３１と冷却器（冷却部）３２とが接続されている。すなわち、貯留タンク３０は、加熱器３１によって貯留タンク３０内の熱媒体を加熱する加熱機能と、冷却器３２によって貯留タンク３０内の熱媒体を冷却する冷却機能とを有している。また、冷却機能に関しては、貯留タンク３０内の圧力に応じてＯＮ／ＯＦＦできるようになっている。図１に示す例では、冷却器３２は、冷却液（例えば冷却水）の循環経路に電磁弁３２１を設け、圧力スイッチ３２２によって電磁弁３２１の開閉制御を行う構成となっている。具体的には、圧力スイッチ３２２は、貯留タンク３０内の圧力（貯留タンク圧力）が設定圧力Ｐｓｅｔ以上になると電磁弁３２１を開いて冷却液を循環させ（冷却機能ＯＮ）、貯留タンク圧力が設定圧力Ｐｓｅｔ未満になると電磁弁３２１を閉じて冷却液の循環を停止させる（冷却機能ＯＦＦ）。

尚、貯留タンク３０は連通管４０を介して加熱部２１１と連通しているため、これらの内部圧力は全て同じとなる。このため、圧力スイッチ３２２は、貯留タンク３０ではなく、連通管４０または熱電発電ユニット２０の加熱部２１１に取り付けられてもよい。

〔熱電発電装置１０の基本動作〕
熱電発電装置１０は、特許文献１と同様の原理を用いて発電量を向上させるものとなっている。従来の熱電発電装置は、熱媒体として高温の液体または気体を循環経路に流すように構成されていた。この構成では、循環経路を流れる熱媒体は、相が同一であるため、顕熱変化する。すなわち、熱媒体は、循環経路を流れる過程で温度変化する。

これに対し、本実施の形態に係る熱電発電装置１０では、加熱部２１１および伝熱管２２の循環経路を熱媒体が循環する過程において、熱媒体を潜熱変化（例えば、気体から液体への相変化）させることで、熱媒体の温度を一定にし、発電量を向上させている。

図４は、加熱部２１１および伝熱管２２によって形成される熱媒体の循環経路を模式的に示す図である。この循環経路では、図４に示すように、熱媒体は伝熱管２２において熱の供給を受けて加熱され、伝熱管２２内を流れる熱媒体が液体から蒸気になる。すなわち、熱媒体は、伝熱管２２内部において蒸発し、液体から気体へと相変化する。蒸気は、伝熱管２２の高い側の位置にある開口端部から加熱部２１１へ排出される。加熱部２１１に排出された蒸気は、加熱部２１１の加熱面に注がれながら内部の循環経路を重力方向へ落下し、当該加熱面から放熱して熱電素子２１０を加熱することによって凝縮される。すなわち、熱媒体は、加熱部２１１内部において気体から液体へと相変化する。このとき、熱媒体は潜熱変化し、熱媒体の凝縮温度は一定である。凝縮された熱媒体は、伝熱管２２の低い側にある開口端部から伝熱管２２へ流入する。伝熱管２２に流入した熱媒体は、再び加熱され、液体から蒸気へと相変化する。尚、貯留タンク３０と熱電発電ユニット２０を連通させる連通管４０は、液相の熱媒体を移送できるように、熱電発電ユニット２０に対しては熱媒体が液相となる低い位置で接続されていることが好ましい。

このように、熱電発電装置１０において、熱媒体は加熱部２１１および伝熱管２２で形成された循環経路を自然循環する。言い換えると、この循環経路は、ポンプなどの動力を使用せず、熱媒体の相変化を利用して熱媒体を繰り返し循環させるサーモサイホン式熱交換器（熱交換器）として機能する。

また、熱媒体を加熱部２１１および伝熱管２２で形成された循環経路内で潜熱変化させながら循環させる場合、熱媒体の圧力を制御することが発電量を向上させる観点において重要となる。熱電発電装置１０では、貯留タンク３０から加熱部２１１に熱媒体を供給したり加熱部２１１から熱媒体を回収したりすることで、熱媒体の圧力を制御することができる。

具体的には、熱電発電装置１０の動作時（後述する熱電発電システムとしての使用時）、貯留タンク３０は、加熱器３１によって熱媒体を常に加熱しながら、冷却器３２による冷却機能をＯＮ／ＯＦＦすることで熱媒体の圧力を制御するようになっている。すなわち、熱電発電装置１０では、加熱器３１および冷却器３２を備える貯留タンク３０が、熱媒体の圧力制御機構となる。上述したように、加熱部２１１と貯留タンク３０とは連通管４０を介して連通しているため、内部圧力は同じとなっており、加熱部２１１の圧力が低下すると貯留タンク圧力も同様に低下し、加熱部２１１の圧力が上昇すると貯留タンク圧力も同様に上昇する。

貯留タンク圧力が設定圧力Ｐｓｅｔ以上になった場合、冷却器３２の冷却機能がＯＮとなり、貯留タンク圧力が低下して熱媒体が熱電発電ユニット２０から貯留タンク３０へ移動する（貯留タンクへの熱媒体の移送）。一方、貯留タンク圧力が設定圧力Ｐｓｅｔ以上になった場合、冷却器３２の冷却機能がＯＮとなり、貯留タンク圧力が低下して熱媒体が熱電発電ユニット２０から貯留タンク３０へ移動する（貯留タンクからの熱媒体の返送）。このような動作により、熱電発電ユニット２０（および貯留タンク３０）における熱媒体の圧力は、設定圧力Ｐｓｅｔに維持されるように制御される。

熱電発電装置１０を用いる熱電発電システムは、熱源であるガス温度に変動が生じることがある。このように熱源ガス温度（熱源温度）の変動が生じる場合であっても、熱媒体の圧力制御機構を有する熱電発電装置１０では、熱媒体の圧力を設定圧力Ｐｓｅｔに維持することで、熱媒体の温度を設定圧力Ｐｓｅｔに相当する飽和温度に維持することができる。

すなわち、熱電発電装置１０では、図５に実線にて示すように、熱源ガス温度が温度Ｔ１から温度Ｔ２の間で変動しても、熱媒体飽和温度は変動せず、この間で最高出力を維持
できる。一方、熱媒体の圧力制御機構を持たない熱電発電装置では、図５に破線にて示すように、熱源ガス温度変化に伴って熱媒体飽和温度が変動し、殆どの場合で最高出力を発揮することができない。尚、図５に示す熱電発電装置１０の例では、熱源ガス温度が温度Ｔ１から温度Ｔ２に向かう場合は、熱媒体が熱電発電ユニット２０から貯留タンク３０へ移動することで設定圧力Ｐｓｅｔが維持され、熱源ガス温度が温度Ｔ２から温度Ｔ１に向かう場合は、熱媒体が貯留タンク３０から熱電発電ユニット２０へ移動することで設定圧力Ｐｓｅｔが維持される。

〔熱電発電システム〕
続いて、熱電発電装置１０を適用する熱電発電システムについて、＜実施例１＞ないし＜実施例１４＞を挙げて説明する。

＜実施例１＞
本実施の形態に係る熱電発電システム（以下、本システム）は、高温ガス熱を熱源として、高温ガスからの回収熱をサーモサイホン式熱交換器（加熱部２１１および伝熱管２２）によって熱電モジュールに与えて発電を行う。図６は、本システムの実施例１の構成を模式的に示す図である。本システムでは、熱電発電装置１０の伝熱管２２を、高温ガスの流れる流路（加熱流路）５０に設置し、流路５０を流れる高温ガスの熱を利用して熱媒体を加熱する。尚、ここでの流路５０は、エンジンの排ガスダクトや、産廃炉またはバイオマスボイラーなどで発生する排ガスが流れるダクトとすることができる。

さらに、本システムでは、貯留タンク３０の少なくとも一部が流路５０中に設置される。これにより、本システムの動作中、貯留タンク３０内の熱媒体は流路５０を流れる高温ガスによって常に加熱される状態となる。すなわち、本システムでは、高温ガスの流れる流路５０が、図１における加熱器３１に相当する。尚、流路５０を流れる高温ガスが腐食性のガスなどである場合は、流路５０を形成するダクトの構成材に貯留タンク３０を埋設または接合することで、貯留タンク３０を腐食性ガスから保護する構成であってもよい。

本システムにおいて、貯留タンク３０の少なくとも一部を流路５０中に設置する構成は、本発明の特徴の一つであり、実施例１だけでなく後述する全ての実施例に共通する。このように、貯留タンク３０の少なくとも一部を流路５０中に設置することで、貯留タンク３０の加熱器３１として他の加熱手段（ヒータや加熱熱交換器など）を設けることが不要となり、熱電発電装置１０の小型化を図ることができる。尚、“貯留タンク３０の少なくとも一部を流路５０中に設置する構成”には、熱電発電装置１０において複数の貯留タンク３０が設けられる場合であって、その中の何れかの貯留タンク３０が流路５０内に設置される構成も含まれる。

また、図６に示す本システムでは、貯留タンク３０の内部に冷却器３２として機能する冷却水流路管３２３が配置されており、冷却水流路管３２３における冷却水の流れを電磁弁３２１および圧力スイッチ３２２によって制御することで、冷却機能のＯＮ／ＯＦＦを行う構成となっている。

＜実施例２＞
図７は、本システムの実施例２の構成を模式的に示す図である。本システムの動作時、貯留タンク３０の内部は極めて高温となるため、実施例１のように、貯留タンク３０の内部に冷却水流路管３２３を配置する構成では、冷却水流路管３２３内で冷却水が蒸発し、冷却水流路管３２３に冷却水を送り込むことが困難となって、冷却機能が不安定となったり、冷却効率が低下したりする恐れがある。

本実施例２は、冷却器３２に対する冷却機能を安定させるための構成である。すなわち
、本システムでは、冷却器３２は貯留タンク３０に対して、内部ではなく外部から冷却を行う。具体例としては、図７に示すように、流路５０の外部において、一端が貯留タンク３０に接続されるヒートパイプ３２４を設け、ヒートパイプ３２４の他端側を冷却器３２にて冷却できるようにする。

このように、冷却器３２が貯留タンク３０に対して外部から冷却を行うようにすることで、冷却水流路管３２３内で冷却水が蒸発しにくくなるため、冷却機能を安定化させることができ、冷却効率も向上させることができる。

＜実施例３＞
図８は、本システムの実施例３の構成を模式的に示す図である。本実施例３は、実施例２のシステムの変形例であり、図８に示すように、ヒートパイプ３２４の両端が貯留タンク３０に接続され、ヒートパイプ３２４が高さ方向にループ回路を形成している。

このように、ヒートパイプ３２４が高さ方向にループ回路を形成することで、冷却を受ける熱媒体がサーモサイホン効果によってヒートパイプ３２４内を循環し、冷却機能のＯＮ時における冷却効率を向上させることができる。

＜実施例４＞
図９は、本システムの実施例４の構成を模式的に示す図である。実施例１～３では、冷却器３２は、圧力スイッチ３２２によって電磁弁３２１の開閉を制御し、冷却機能のＯＮ／ＯＦＦを行う構成となっている。

これに対し、本実施例４は、冷却器３２において、冷却水の流量調整機能を追加した構成である。具体例としては、図９に示すように、電磁弁３２１に代えて可変制御弁３２５を備え、圧力スイッチ３２２に代えて圧力センサ３２６および制御器３２７を備え、圧力センサ３２６の検知結果に応じて制御器３２７が可変制御弁３２５の開度を制御する。すなわち、本実施例４では、圧力センサ３２６が検知する貯留タンク圧力の増加に伴って、可変制御弁３２５の開度を上げて冷却水の流量を増やし、冷却器３２の冷却機能を増加させることができる。また、貯留タンク圧力の減少に伴って、可変制御弁３２５の開度を下げて冷却水の流量を減らし、冷却器３２の冷却機能を低下させることができる。このように、冷却器３２において冷却水の流量調整機能を持たせることで、熱電発電装置１０における熱媒体の圧力制御をより高精度に行うことができる。

尚、図９に示す例では、冷却水の流量調整を可変制御弁３２５の開度調整によって行っているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、冷却器３２において冷却水の循環を行わせる冷却水ポンプ（図示せず）を設け、その冷却水ポンプの運転周波数を制御器３２７によって調整する構成も可能である。この場合、冷却水ポンプの運転周波数を上げることで冷却水の流量を増やし、運転周波数を下げることで冷却水の流量を減らすことができる。

また、図９は、実施例３（図８）の変形例として上記特徴を適用したものとなっているが、実施例１，２（図６，７）の変形例として上記特徴を適用することも可能である。

＜実施例５＞
図１０は、本システムの実施例５の構成を模式的に示す図である。本実施例５は、実施例３のシステムの変形例であり、図１０に示すように、電磁弁３２１を、冷却水流路管３２３ではなくヒートパイプ３２４に設けた構成である。このように、ヒートパイプ３２４に電磁弁３２１を設け、ヒートパイプ３２４内での熱媒体の循環を停止させることによっても、冷却機能をＯＦＦすることができる。

冷却水の循環／停止によって冷却機能をＯＮ／ＯＦＦする場合、冷却機能のＯＦＦ時に循環の止まった冷却水が長時間加熱され、冷却水流路管３２３内で蒸気化する恐れがある。これに対して、ヒートパイプ３２４内での熱媒体の循環／停止によって冷却機能をＯＮ／ＯＦＦする構成では、冷却水の循環を止める必要が無く、冷却水の蒸気化を防止することができる。

尚、図１０における本システムは、実施例３（図８）の変形例として例示されたものであり、ヒートパイプ３２４がループ回路を形成している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、実施例２（図７）の変形例としてヒートパイプ３２４がループ回路を形成しない構成であってもよい。その場合、電磁弁３２１は、ヒートパイプ３２４において冷却器３２による冷却箇所と貯留タンク３０との間に設ければよい。これによっても、冷却器３２による冷却箇所と貯留タンク３０との間での熱媒体の移動を停止でき、冷却機能をＯＦＦすることができる。

また、図１０は、実施例３の変形例として電磁弁３２１および圧力スイッチ３２２を用いた構成とされているが、本発明はこれに限定されるものではなく、実施例４と同様に可変制御弁３２５、圧力センサ３２６および制御器３２７を用いた構成であってもよい。

＜実施例６＞
図１１は、本システムの実施例６の構成を模式的に示す図である。上述の各実施例では、熱電発電装置１０は、１つの熱電発電ユニット２０に１つの貯留タンク３０を組み合わせた構成とされている。これに対し、本実施例６の熱電発電装置１０は、複数（図１１の例では４つ）の熱電発電ユニット２０に１つの貯留タンク３０を組み合わせた構成とされている。また、図１１の例では、４つの熱電発電ユニット２０は、熱源である高温ガスの流れ方向に沿って設置されており、高温ガスの流れ方向における上流側から順に熱電発電ユニット２０Ａ～熱電発電ユニット２０Ｄとする。このように、複数の熱電発電ユニット２０を備えることで、熱電発電装置１０は発電出力を増大させることができる。

本実施例６では、複数の熱電発電ユニット２０の全てにおける加熱部２１１は、ユニット連結管２１４によって接続される。すなわち、ユニット連結管２１４での接続により、複数の熱電発電ユニット２０内の圧力は同じとなる。このとき、ユニット連結管２１４は、熱電発電ユニット２０内で熱媒体が蒸気相となる高い位置でユニット連結を行うことが好ましい。これにより、複数の熱電発電ユニット２０に対し１つの貯留タンク３０で熱電発電装置１０内の熱媒体の総量を制御することが可能となり、発電出力を増大させた熱電発電装置１０においてその構成を簡素化することができる。

尚、本実施例６では、連通管４０は、複数の熱電発電ユニット２０の中の少なくとも１つに接続されていればよく、図１１の例では、最も下流側の熱電発電ユニット２０Ｄに接続されている。また、本実施例６のシステムでは、貯留タンク３０の構成として、実施例１～５の何れの構成を適用することも可能である。

＜実施例７＞
図１２は、本システムの実施例７の構成を模式的に示す図である。本実施例７は、実施例６のシステムの変形例である。実施例６（図１１）では、連通管４０は、熱電発電ユニット２０側で１つのユニット（最下流側の熱電発電ユニット２０Ｄ）にのみ接続されていた。これに対し、本実施例７のシステムでは、図１２に示すように、連通管４０は熱電発電ユニット２０側で２本に分岐され、一方の分岐連通管４０Ａが最下流側の熱電発電ユニット２０Ｄに接続され、他方の分岐連通管４０Ｂが最上流側の熱電発電ユニット２０Ａに接続されている。また、分岐連通管４０Ａには貯留タンク３０から熱電発電ユニット２０
Ｄへの熱媒体の移動を禁止する逆止弁４１Ａが設けられており、分岐連通管４０Ｂには熱電発電ユニット２０Ａから貯留タンク３０への熱媒体の移動を禁止する逆止弁４１Ｂが設けられている。

本実施例７のシステムでは、分岐連通管４０Ａおよび４０Ｂに逆止弁４１Ａおよび４１Ｂがそれぞれ設けられることにより、貯留タンク３０に熱媒体が回収されるとき（貯留タンク圧力＞設定圧力Ｐｓｅｔとなり冷却機能がＯＮされるとき）は、最下流側の熱電発電ユニット２０Ｄから貯留タンク３０へ熱媒体が移動する。逆に、貯留タンク圧力＜設定圧力Ｐｓｅｔとなり冷却機能がＯＦＦされるときは、貯留タンク３０から最上流側の熱電発電ユニット２０Ａへ熱媒体が移動する。この構成は、最下流側の熱電発電ユニット２０Ｄにおける熱媒体の偏在を解消する上で有効である。

複数の熱電発電ユニット２０が熱源である高温ガスの流れ方向に沿って設置される場合、熱源である高温ガスは、上流側の熱電発電ユニット２０から順に熱を奪われることにより、下流に向かうにつれて温度が低下する。その結果、図１２の例では、最下流側の熱電発電ユニット２０Ｄは液リッチの状態（熱媒体の総量が多い状態）となりやすく、最上流側の熱電発電ユニット２０Ａは蒸気リッチの状態（熱媒体の総量が少ない状態）となりやすい。

これに対し、本実施例７のシステムでは、貯留タンク３０に熱媒体を回収する状況では、熱媒体の総量が多い最下流側の熱電発電ユニット２０Ｄから熱媒体を移動させることができ、貯留タンク３０から熱媒体を供給する状況では、熱媒体の総量が少ない最上流側の熱電発電ユニット２０Ａに熱媒体を移動させることができる。その結果、最下流側の熱電発電ユニット２０Ｄにおける熱媒体の偏在を解消することができる。

＜実施例８＞
図１３は、本システムの実施例８の構成を模式的に示す図である。本実施例８の熱電発電装置１０は、実施例６，７と同様に、複数（図１３の例では２つ）の熱電発電ユニット２０に１つの貯留タンク３０を組み合わせた構成である。但し、複数の熱電発電ユニット２０は、熱源である高温ガスの流れ方向に沿って設置されるものではなく、高さ方向に並んで（高さの異なる状態で）設置されている。図１３の例では、上側の（設置位置の高い）ユニットを熱電発電ユニット２０Ｅとし、下側の（設置位置の低い）ユニットを熱電発電ユニット２０Ｆとする。

本実施例７のシステムでも、連通管４０は熱電発電ユニット２０側で２本に分岐され、一方の分岐連通管４０Ａが下側の熱電発電ユニット２０Ｆに接続され、他方の分岐連通管４０Ｂが上側の熱電発電ユニット２０Ｅに接続されている。分岐連通管４０Ａには貯留タンク３０から熱電発電ユニット２０Ｄへの熱媒体の移動を禁止する逆止弁４１Ａが設けられており、分岐連通管４０Ｂには熱電発電ユニット２０Ａから貯留タンク３０への熱媒体の移動を禁止する逆止弁４１Ｂが設けられている。この構成は、設置位置の低い熱電発電ユニット２０Ｆにおける熱媒体の偏在を解消する上で有効である。

複数の熱電発電ユニット２０が高さ方向に並んで設置される場合、それぞれの熱電発電ユニット２０に当たる高温ガスの温度が同じであっても、液状態の熱媒体は重力によって下がり設置位置の低い熱電発電ユニット２０に溜まりやすい。すなわち、図１３の例では、下側の熱電発電ユニット２０Ｆは液リッチの状態（熱媒体の総量が多い状態）となりやすく、上側の熱電発電ユニット２０Ｅは蒸気リッチの状態（熱媒体の総量が少ない状態）となりやすい。

これに対し、本実施例８のシステムでは、貯留タンク３０に熱媒体を回収する状況では
、熱媒体の総量が多い下側の熱電発電ユニット２０Ｆから熱媒体を移動させることができ、貯留タンク３０から熱媒体を供給する状況では、熱媒体の総量が少ない上側の熱電発電ユニット２０Ｅに熱媒体を移動させることができる。その結果、下側の熱電発電ユニット２０Ｆにおける熱媒体の偏在を解消することができる。

＜実施例９＞
図１４は、本システムの実施例９における伝熱管２２と貯留タンク３０との設置関係を示す図である。上述したように、本システムでは、伝熱管２２および貯留タンク３０（の少なくとも一部）が高温ガスの流れる流路５０の中に設置される。このとき、図１４に示すように、貯留タンク３０は伝熱管２２群内のすき間部に挿入される形で設置されてもよい。貯留タンク３０をこのように設置することで、貯留タンク３０用の設置スペースが不要となり、本システムにおける熱電発電装置１０の省スペース化を図ることができる。

＜実施例１０＞
図１５は、本システムの実施例１０における熱電発電ユニット２０と貯留タンク３０との設置関係を示す図である。尚、図１５では、貯留タンク３０における加熱器３１および冷却器３２については図示を省略している。上述したように、本システムでは、流路５０に対して熱電発電ユニット２０（の伝熱管２２）および貯留タンク３０（の少なくとも一部）が設置される。

本実施例１０では、貯留タンク３０の設置箇所は、流路５０内での高温ガスの流れ方向に対して、熱電発電ユニット２０の下流側とされる。すなわち、貯留タンク３０の設置箇所は、熱電発電ユニット２０の設置箇所よりも熱源ガス温度の低い位置とされる。これは、貯留タンク３０の加熱に必要なガス温度は、熱電発電ユニット２０の加熱に必要なガス温度より低いためである。貯留タンク３０の設置箇所を熱電発電ユニット２０の下流側とすることで、熱電発電ユニット２０のおける流路５０内での熱回収能力に影響を与えることがなくなる。

尚、図１５は、熱電発電装置１０において複数（図１５の例では５つ）の熱電発電ユニット２０と１つの貯留タンク３０とを組み合わせた構成を例示している。この場合、貯留タンク３０の設置箇所は、何れの熱電発電ユニット２０よりも下流側とされる。また、本実施例１０の構成は、熱電発電装置１０において複数の熱電発電ユニット２０を備える場合に限定されるものではなく、熱電発電装置１０において１つの熱電発電ユニット２０と１つの貯留タンク３０とを組み合わせる場合であっても適用可能である。

＜実施例１１＞
本実施例１１は、実施例７または８の構成を前提とする場合において、貯留タンク３０の冷却機能の制御動作に特徴を有するものである。図１６は、本システムの実施例１１における電磁弁３２１の開閉制御を示すタイミングチャートである。尚、詳細な図示などは省略するが、以下の開閉制御を行うにあたって、熱電発電装置１０には、時間計測を行うタイマーと、タイマーの計測に基づいて電磁弁３２１の開閉を制御する制御部とが備えられる。

実施例７および８における本システムは、連通管４０を熱電発電ユニット２０側で２本の分岐連通管４０Ａおよび４０Ｂに分岐し、分岐連通管４０Ａおよび４０Ｂに逆止弁４１Ａおよび４１Ｂをそれぞれ設けた構成である。この構成では、実施例７および８で説明した作用により、複数の熱電発電ユニット２０間での熱媒体の偏在を解消することができる。

本実施例１１の制御は、実施例７および８で説明した作用を積極的に発生させ、熱媒体
の偏在をより効果的に解消しようとするものである。具体的には、図１６に示すように、タイマー動作による所定のサイクルで貯留タンク３０の冷却機能におけるＯＮ／ＯＦＦを切り替える（例えば、電磁弁３２１の開／閉を切り替える）。

図１６の制御では、電磁弁３２１の開時（冷却機能におけるＯＮ時）に熱媒体の多くなりやすい熱電発電ユニット２０から貯留タンク３０へ熱媒体が移動し、電磁弁３２１の閉時（冷却機能におけるＯＦＦ時）に貯留タンク３０から熱媒体の少なくなりやすい熱電発電ユニット２０へ熱媒体が移動する。このように、冷却機能におけるＯＮ／ＯＦＦを所定サイクルで切り替えることにより、熱電発電ユニット２０と貯留タンク３０との間での熱媒体の循環を促し、複数の熱電発電ユニット２０間での熱媒体の偏在を効果的に解消することができる。

但し、上述したように、冷却機能におけるＯＮ／ＯＦＦ切り替えの基本制御は、貯留タンク圧力が設定圧力Ｐｓｅｔ以上になった場合に冷却機能ＯＮとし、貯留タンク圧力が設定圧力Ｐｓｅｔ未満になった場合に冷却機能ＯＦＦとするものである。この基本制御と本実施例１１の制御（所定サイクルでの冷却機能ＯＮ／ＯＦＦ切替制御）とを併用するには、貯留タンク圧力が設定圧力Ｐｓｅｔ以上の場合に冷却機能を常時ＯＮとし、貯留タンク圧力が設定圧力Ｐｓｅｔ未満である場合に本実施例１１の制御を行うことが考えられる。

＜実施例１２＞
本実施例１２は、実施例１１と同様に、実施例７または８の構成を前提とする場合において、貯留タンク３０の冷却機能の制御動作に特徴を有するものである。図１７は、本システムの実施例１２における電磁弁３２１の開閉制御を示すタイミングチャートである。尚、詳細な図示などは省略するが、以下の開閉制御を行うにあたって、熱電発電装置１０には、熱媒体が不足傾向となる熱電発電ユニット２０の熱媒体温度を検出する温度センサと、温度センサの検知結果に基づいて電磁弁３２１の開閉を制御する制御部とが備えられる。

本実施例１２の制御では、複数の熱電発電ユニット２０のうち熱媒体が不足傾向となるユニット（高温ガスの上流側設置または上方設置）の熱媒体温度に基づいて貯留タンク３０の冷却機能におけるＯＮ／ＯＦＦを切り替える。具体的には、熱媒体が不足傾向となる熱電発電ユニット２０の熱媒体温度を温度センサで検出し、図１７に示すように、検出した熱媒体温度を２つの基準値（ＯＦＦ基準値およびＯＮ基準値：ＯＦＦ基準値＞ＯＮ基準値）と比較する。そして、熱媒体温度がＯＦＦ基準値を超えたときに冷却機能をＯＦＦとし（例えば、電磁弁３２１を閉じ）、熱媒体温度がＯＮ基準値を下回ったときに冷却機能をＯＮとする（例えば、電磁弁３２１を開く）。尚、熱媒体温度を検出する温度センサは、熱電発電ユニット２０内で、熱媒体が蒸気相となる箇所での熱媒体温度を検出することが望ましい。

熱電発電ユニット２０での熱媒体不足時は熱媒体温度が上昇するため、熱媒体温度によって熱媒体不足が検知可能であり、冷却機能におけるＯＮ／ＯＦＦを熱媒体温度に基づいて切り替えることにより、複数の熱電発電ユニット２０間での熱媒体の偏在（特に、熱媒体が不足傾向となる熱電発電ユニット２０での熱媒体不足）をより効果的に解消することができる。

＜実施例１３＞
図１８は、本システムの実施例１３における熱電発電ユニット２０の設置状態を示す図である。尚、図１８では、貯留タンク３０における加熱器３１および冷却器３２については図示を省略している。上述したように、本システムでは、流路５０に対して熱電発電ユニット２０（の伝熱管２２）および貯留タンク３０（の少なくとも一部）が設置される。

本実施例１３では、複数（図１８の例では３つ）の熱電発電ユニット２０が、熱源である高温ガスの流れ方向に沿って設置されることが前提となる。この場合、高温ガスは上流側の熱電発電ユニット２０から順に熱を奪われることで、下流に行くほど温度が低下する。このため、実施例１３の本システムでは、下流側に設置される熱電発電ユニット２０ほど、上流側に設置される熱電発電ユニット２０に比べて伝熱管２２を長くしている。これにより、下流側に設置される熱電発電ユニット２０ほど、伝熱管２２を長くすることで熱源の高温ガスによる加熱を受けやすくなり、熱源ガス温度の低下を補うことができる。

＜実施例１４＞
本システムでは、流路５０に対して熱電発電ユニット２０（の伝熱管２２）および貯留タンク３０（の少なくとも一部）が設置されるが、基本的に、熱源である高温ガスの温度（熱源ガス温度）はシステム毎に異なるものである。本実施例１４は、流路５０に対して貯留タンク３０を設置する位置の熱源ガス温度により、貯留タンク３０の流路５０への挿入長さと貯留タンク３０の全長との比（タンク挿入長／タンク全長）を変えて設置することを特徴とする。

図１９は、熱源ガス温度とタンク挿入長／タンク全長との関係を示すグラフである。本実施例１４では、図１９に示すように、熱源ガス温度が高くなるほど、タンク挿入長／タンク全長が小さくなるようにして貯留タンク３０の設置を行う。このような設置方法により、単一仕様の貯留タンク３０にて、熱源ガス温度によらず本システムの熱媒体量の調整機能を得ることができる。

今回開示した実施形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。

１０ 熱電発電装置
２０ 熱電発電ユニット
２１ 発電部
２１０ 熱電素子
２１０Ａ，２１０Ｂ 熱電モジュール
２１１ 加熱部（熱交換器の一部）
２１２ 冷却部
２１４ ユニット連結管
２２ 伝熱管（熱交換器の一部）
３０ 貯留タンク
３１ 加熱器
３２ 冷却器（冷却部）
３２１ 電磁弁
３２２ 圧力スイッチ
３２３ 冷却水流路管
３２４ ヒートパイプ
３２５ 可変制御弁
３２６ 圧力センサ
３２７ 制御器
４０ 連通管
４０Ａ 分岐連通管
４０Ｂ 分岐連通管
４１Ａ 逆止弁
４１Ｂ 逆止弁
５０ 流路（加熱流路）

Claims (12)

1. 加熱流路からの回収熱を熱電発電装置に与えて発電を行う熱電発電システムであって、
   前記熱電発電装置は、前記回収熱を熱電素子に与える熱交換器と、前記熱交換器内の熱媒体を貯留する貯留タンクと、を備えており、
   前記貯留タンクの少なくとも一部が前記加熱流路内に設置されていることを特徴とする熱電発電システム。
2. 請求項１に記載の熱電発電システムであって、
   前記貯留タンクは、前記加熱流路の外部において、前記貯留タンクに接続されたヒートパイプを有しており、
   前記ヒートパイプには、前記ヒートパイプ内の熱媒体を冷却する冷却部が設けられていることを特徴とする熱電発電システム。
3. 請求項２に記載の熱電発電システムであって、
   前記ヒートパイプは、その両端が前記貯留タンクに接続され、高さ方向にループ回路を形成していることを特徴とする熱電発電システム。
4. 請求項２または３に記載の熱電発電システムであって、
   前記冷却部は、前記熱媒体の冷却に用いる冷却水を循環させる冷却水流路管と、前記貯留タンク内の圧力を検知する圧力センサとを有しており、前記圧力センサの検知信号に基づいて前記冷却水流路管内を流れる冷却水の流量を調整可能であることを特徴とする熱電発電システム。
5. 請求項２または３に記載の熱電発電システムであって、
   前記ヒートパイプに開閉制御または開度制御可能な制御弁が設けられており、
   前記制御弁によって前記ヒートパイプと前記貯留タンクとの間での前記熱媒体の移動が制御可能であることを特徴とする熱電発電システム。
6. 請求項１から５の何れか１項に記載の熱電発電システムであって、
   前記貯留タンクは、複数の前記熱交換器に接続されており、複数の前記熱交換器における前記熱媒体の循環経路が連結管によって連結されていることを特徴とする熱電発電システム。
7. 請求項６に記載の熱電発電システムであって、
   複数の前記熱交換器は、前記加熱流路内に設置されており、
   前記熱交換器から前記貯留タンクへの前記熱媒体の移送は、熱源温度の最も低い前記熱交換器において行われ、前記貯留タンクから前記熱交換器への前記熱媒体の返送は、前記熱源温度の最も高い前記熱交換器において行われることを特徴とする熱電発電システム。
8. 請求項６に記載の熱電発電システムであって、
   複数の前記熱交換器は、高さ方向において、前記加熱流路内に異なる位置で設置されており、
   前記熱交換器から前記貯留タンクへの前記熱媒体の移送は、設置位置の最も低い前記熱交換器において行われ、前記貯留タンクから前記熱交換器への前記熱媒体の返送は、設置位置の最も高い前記熱交換器において行われることを特徴とする熱電発電システム。
9. 請求項１から８の何れか１項に記載の熱電発電システムであって、
   前記熱交換器は、前記加熱流路内に設置され、前記加熱流路を流れる熱源の熱によって前記熱媒体を加熱する伝熱管群を有しており、
   前記貯留タンクは前記伝熱管群内のすき間部に設置されていることを特徴とする熱電発電システム。
10. 請求項１から８の何れか１項に記載の熱電発電システムであって、
    前記貯留タンクは、前記熱交換器よりも前記加熱流路における熱源の温度の低い位置に設置されていることを特徴とする熱電発電システム。
11. 請求項７または８に記載の熱電発電システムであって、
    前記熱交換器から前記貯留タンクへの前記熱媒体の移送、および前記貯留タンクから前記熱交換器への前記熱媒体の返送を、タイマー動作により所定のサイクルで切り替え可能な制御部を有することを特徴とする熱電発電システム。
12. 請求項７または８に記載の熱電発電システムであって、
    前記熱交換器から前記貯留タンクへの前記熱媒体の移送、および前記貯留タンクから前記熱交換器への前記熱媒体の返送を、複数の前記熱交換器のうち前記熱媒体が最も不足傾向となる前記熱交換器の熱媒体温度に基づいて切り替え可能な制御部を有することを特徴とする熱電発電システム。

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