JP4661235B2

JP4661235B2 - 熱電変換装置

Info

Publication number: JP4661235B2
Application number: JP2005019448A
Authority: JP
Inventors: 稔智太田; 貴中林
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2025-01-27
Also published as: JP2006210568A

Description

本発明は、熱電変換装置に関する。

抵抗加熱炉や燃焼炉のような工業炉には、熱電素子を用いた熱電変換装置を備えたものがある。この熱電変換装置は、高温側と低温側との温度差に応じて起電力を発生するＰ型発電素子とＮ型発電素子を複数交互に接続して両端の電極から電力を取り出すものである。例えばボイラやゴミ焼却炉の熱電変換装置では、複数の熱電素子からなる熱電モジュールを、高温配管と冷却水配管から導いた冷却板との間に取り付けるようにしており、この際、熱伝達率を高めるために、熱電モジュールを、電気的絶縁体を介してボルトやばねを用いて締め付けることが行われている。締め付ける絶縁体としては、強度部材としてアルミナ、窒化アルミ等が用いられている。なお、例えば下記特許文献１には、このような熱電変換装置の1つとして、Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子の下面に板状の絶縁体が設けられた熱電モジュールを、当該絶縁体を介して水冷ジャケットに貼り付け接合した工業炉用熱電発電装置が開示されている。
特開２００２−１７１７７６号公報

ところで、上記熱電モジュールの締め付け荷重は、熱伝導性を確保するために面圧１０ＭＰａ以上に設定される。この締め付け荷重によって、熱電モジュールの破壊による電気抵抗の増加が発生し、この結果として発電効率が低下するという問題がある。
また、熱膨張による熱応力を受けるため、熱電モジュール自体は小さく、一辺３〜６ｃｍ程度の小さいものが多い。このような小サイズの熱電モジュールを炉壁に隙間無く配置する構成であるため、多数の熱電モジュールが必要であり、よってコストが上昇するという問題もある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、以下の点を目的とするものである。（１）発電効率を向上させる。
（２）装置コストの低下を実現する。

上記目的を達成するために、本発明では、熱電変換装置に係る第１の解決手段として、複数の熱電素子が配列された複数の熱電モジュールと、該熱電モジュールの高温側端面のそれぞれに設けられ、該高温側端面よりも張り出した状態となるように形状設定され、且つ、隣り合う端部同士が隙間をあけて配置されて輻射熱を吸収する複数の輻射受熱部と、該複数の輻射受熱部の前記熱電モジュールの高温側端面に面する側から前記隣り合う端部同士の隙間を跨いで覆うように支持面で支持する断熱材とを具備する、という手段を採用する。

熱電変換装置に係る第２の手段として、上記第１の解決手段において、輻射受熱部は、受熱面が熱の輻射方向に直交するように形状設定される、という手段を採用する。

熱電変換装置に係る第３の手段として、上記第１または第２の解決手段において、輻射受熱部に、該輻射受熱部を複数の領域に分けるスリットが形成されている、という手段を採用する。

本発明によれば、輻射熱が輻射受熱部によって吸収され、かつ高い熱伝導率で熱電モジュールに供給されるので、発電効率を向上させることができる。
また、輻射熱の吸収性に優れると共に高い熱伝導率を有する輻射受熱部を、熱電モジュールの高温側端面よりも張り出した状態となるように形状設定するので、熱電モジュールの高温側端面よりも広い範囲の輻射熱を熱電モジュールコストに供給することが可能となり、熱電モジュールの発電効率を向上させることができると共に、熱電モジュールの個数を削減して装置コストを低減することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る熱電変換装置の要部断面図、図２は本熱電変換装置が設けられた抵抗加熱炉の断面図である。

先に抵抗加熱炉８の概要について説明すると、この抵抗加熱炉８は、外側に水冷ジャケット７を備えた炉内に、一側に雰囲気ガス供給管１を、また他側に廃ガス管２をそれぞれ接続し、且つ、内部でワーク４を加熱する電気ヒータ５を貫通状態に備え、さらに外側を断熱材３ａで覆ってなる加熱室３を設け、且つ、上記断熱材３ａの外側と上記水冷ジャケット７との間に空間部６を形成し、該空間部６を真空又はガス雰囲気として運転するものである。

このような抵抗加熱炉８では、ユニット化された多数の熱電モジュール９が上記水冷ジャケット７の内側（加熱室３側）に取り付けられており、上記断熱材３ａから放射される輻射熱を熱電モジュール９の上面で受けるようになっている。また、各熱電モジュール９は、ダイオード等の逆流防止器１０を備えた電力回収ライン１１を介して蓄電装置１２に接続されて、当該蓄電装置１２からの電力供給ライン１３は、抵抗加熱炉８の個別制御器１４に接続されている。上記加熱室３が加熱したときに断熱材３ａから水冷ジャケット７に向けて放射される放射熱１５（熱エネルギー）は、各熱電モジュール９によって電気エネルギーに変換されて蓄電装置１２に回収され、電力として制御器１４に供給される。

上記熱電モジュール９は、周知のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが基板上に交互に配列されると共に互いに直列に接続されたものである。この熱電モジュール９は、図１に示すように、高温側を炉内（加熱室３側）に向けた状態、かつ低温側（上記基板側）を水冷ジャケット７に固定されている。なお、熱電モジュール９の配置間隔（配設密度）は、必要とされる冷却量に応じて定められている。

水冷ジャケット７には、熱電モジュール９間に位置して断熱材２２が貼付されている。各熱電モジュール９は、図３に示すように、正極側配線２３，負極側配線２４により並列に接続されている。これら配線２３，２４は、断熱材２２と水冷ジャケット７との間に配設されている。なお、図示は省略するが、各熱電モジュール９の接続については、各熱電モジュール９を直列に接続する配線であっても良い。

図１に示すように、熱電モジュール９の高温側端面（上面）には、輻射熱を受け、高い熱伝導率を有する受熱板２０（輻射受熱部）がロウ付け等によって絶縁状態で接合されている。ロウ材としては、炉内の温度（例えば約５００℃）において使用可能なものを選択する。この受熱板２０は、熱電モジュール９の高温側端面よりも外側に広く張り出す形状、すなわち熱電モジュール外形の上面面積よりも広い面積を備えた形状に設定されている。また、隣り合った熱電モジュール９に設けられた受熱板２０間には僅かに隙間２５が形成されている。

このような受熱板２０は、高い輻射熱吸収性能を有し、かつ、高い熱伝導率を備えた素材により構成されている。受熱板２０の素材としては、例えば黒鉛、金属等が考えられる。

このように構成された本熱電変換装置においては、熱電モジュール９よりも広く張り出した受熱板２０によって輻射熱が吸収され、熱伝導によって熱電モジュール９に熱が集中して到達する。熱電モジュール９に到達した熱は、熱電モジュール９において高温側からの熱流が低温側に流れ、これによって熱電モジュール９から電力が取り出される。

本熱電変換装置では、受熱板２０が低密度の輻射熱を高密度の熱流として熱電モジュール９に伝えるので、当該熱電モジュール９の熱電変換効率を向上し、よって発電効率が向上する。また、受熱板２０が熱電モジュール９の高温側端面よりも外側に広く張り出す形状に設定されているので、熱電モジュール９の熱電変換効率を向上させることができると共に熱電モジュール９の個数を削減することが可能であり、よって装置コストを抑制することができる。

また、本熱電変換装置では、受熱板２０により熱電モジュール９の低温部や水冷ジャケット７、配線２３，２４が覆われている。したがって、熱電モジュール９や配線２３，２４等の熱損傷を防ぐことができる。特に図３に示したように、熱電モジュール９よりも受熱板２０が広く張り出していることにより、熱電モジュール９周囲の受熱板２０に覆われたスペースを配線スペースとして用いることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記受熱板２０は、図４、図５に示すように、受熱面（炉内側の面）を熱の輻射方向に対して直交するように傾斜させても良い。このように受熱面を熱源方向に向けることにより、輻射熱の吸収を高めることができる。特に図５のように受熱板２０の受熱面を段階的に傾斜させることにより、輻射熱をより効率的に吸収することができる。

（２）図１、図４に示した例では全体に亘って水冷ジャケット７が設けられているが、図５のように水冷配管３１を設け、該水冷配管３１の存在する部位にのみ熱電モジュール９を設けるようにしても良い。図５では、基板３０の裏面の特定個所に水冷配管３１が設けられ、基板３０上面で前記水冷配管３１が設けられている部位に熱電モジュール９が取付けられている。なお、水冷配管３１が設けられていない部位の基板３０上面には、断熱材２２を設ける。

（３）図６に示すように、受熱板２０の端部を基板３０との間で支持する断熱材２２Ａを設けても良い。これにより隙間２５が覆われてさらに熱が効率よく受熱板２０に吸収され、また安定した構造とすることができる。

（４）また、図７は、受熱板２０の上面視形状を示す図である。（ａ）に示すように、上面視四角形の形状を採用できるほか、（ｂ）〜（ｄ）に示した形状のように、スリット２０ａを形成するようにしても良い。このスリット２０ａは、図８の取り付け状態に示すように、受熱板２０の外側から熱電素子接合面に向かって形成されている。すなわち、スリット２０ａで分けられた領域をそれぞれ放熱部２０ｂと呼ぶとすると、各放熱部２０ｂの基端は熱電モジュール９と接合された状態となっている。

図７（ｂ）の例では、中央部で各放熱部２０ｂが連結しており、（ｃ）の例では各放熱部２０ｂがスリット２０ａにより分離した状態となっている。（ｄ）の例では複数の放熱部２０ｂが左右それぞれ櫛状に延びている。いずれの放熱部２０ｂも基端側で熱電モジュール９と直接的に接合された状態となっている。

このようなスリット２０ａが形成されることにより、高温に晒された受熱板２０はスリット２０ａにおいて膨張可能となるから、熱応力の発生が抑えられ、熱による破損を防止することができる。なお、受熱板２０の形状として、上記の各例では平板形状のみを示したが、立体構造（例えばフィン状等）であっても良い。

（５）さらに、上述した各種の熱電モジュールが適用されるのは、図２に示した抵抗加熱炉８に限定されないことは言うまでもない。また、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の一実施形態に係わる熱電変換装置の要部断面図である。本発明の一実施形態に係わる熱電変換装置が設けられた抵抗加熱炉の断面図である。本発明の一実施形態に係わる熱電変換装置の配線を示した上面図である。本発明の一実施形態に係わる熱電変換装置の変形例を示した要部断面図である。本発明の一実施形態に係わる熱電変換装置の変形例を示した要部断面図である。本発明の一実施形態に係わる熱電変換装置の変形例を示した要部断面図である。本発明の一実施形態に係わる熱電変換装置の受熱板の変形例を示した上面図である。本発明の一実施形態に係わる熱電変換装置の受熱板のの変形例の取り付け状態を示した上面図である。

符号の説明

７…水冷ジャケット、９…熱電モジュール、２０…受熱板（輻射受熱部）、２０ａ…スリット、２２、２２Ａ…断熱材

Claims

複数の熱電素子が配列された複数の熱電モジュールと、
該熱電モジュールの高温側端面のそれぞれに設けられ、該高温側端面よりも張り出した状態となるように形状設定され、且つ、隣り合う端部同士が隙間をあけて配置されて輻射熱を吸収する複数の輻射受熱部と、
該複数の輻射受熱部の前記熱電モジュールの高温側端面に面する側から前記隣り合う端部同士の隙間を跨いで覆うように支持面で支持する断熱材と
を具備することを特徴とする熱電変換装置。
輻射受熱部は、受熱面が熱の輻射方向に直交するように形状設定されることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
輻射受熱部に、該輻射受熱部を複数の領域に分けるスリットが形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電変換装置。