JP4751322B2

JP4751322B2 - 熱電変換システムおよび熱電変換システムの高効率化方法

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Publication number: JP4751322B2
Application number: JP2006513635A
Authority: JP
Inventors: 満神戸; 英雄四方
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
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Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2011-08-17
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Description

本発明は、熱源から放射で熱を受ける熱電変換システムおよび熱電変換システムの高効率化方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、焼結炉や製鉄・非鉄金属プラントなどで発生する廃熱を熱源とする熱電変換システムに用いて好適な熱電変換システムおよび当該熱電変換システムの高効率化方法に関する。

熱電変換モジュールを使って工業炉において発生する廃熱を利用して発電を行う発電システムが従来提案されている（特許文献１）。この発電システムは、熱電変換モジュールの低温側の受熱面となる冷却板が連続炉の冷却室の外側に配置された水冷ジャケットの隔壁に張り付けられ、熱電変換モジュールの高温側の受熱面が熱源たるワークと非接触に配置されて、加熱保持室で焼結処理された後に冷却室内を通過するワークからの放射熱を受熱面で受熱することにより発電するようにしたものである。この発電システムにおいて熱電モジュール１００は、例えば図１６に示すように、交互に並べられた複数対のＰ型熱電素子１０１ａとＮ型熱電素子１０１ｂとを電極１０２で電気的に直列に連結して、１枚の電気絶縁性の冷却板１０４を介して水冷ジャケットの隔壁１０５に張り付けられている。この熱電変換モジュール１００の高温側は、熱応力による熱電素子の破壊を防ぐため、高温側の熱電素子の電極１０２同士を繋ぐ電極部分をワイヤ１０３で構成して高温側における各熱電素子１０１ａ，１０１ｂの動きを自由なものとし、熱源に対して離して設置されている。更に、高温側の受熱面は放射熱を受けやすくするため適宜分割された多数の黒体製集熱板１０８で覆われている。尚、図中の符号１０６は移動する熱源、１０７は冷却源たる冷媒を示す。

特開２００２−１７１７７６号

しかしながら、特許文献１に示すように、漸次温度低下を起こしながら移動するワークを熱源として利用し熱電変換モジュールにより発電する場合には、熱電変換モジュールの受熱面が受ける放射熱が熱電変換モジュール毎あるいは受熱面の部位毎に大きく異なることから、廃熱の利用度を高めることと発電出力を増加させることとを両立させ得ないという問題を有している。

即ち、廃熱を有効利用する観点からは、もっとも熱源温度が高い冷却部の入口近傍に熱電変換モジュールを設置することが好ましいが、熱源温度によっては熱電変換モジュールの最高使用温度を超えてしまう虞がある。熱電変換モジュールの最高使用温度は、熱電半導体の材質によって決まる作動可能温度や、熱電変換モジュールの組み立ての際に使用するろう材や接着剤等の接合材の融点などによって定まる。例えば熱電半導体としてＢｉＴｅを使用する場合、最高使用温度は２２０℃程度であり、ＦｅＳｉを使用する場合、最高使用温度は７００℃程度であり、ＳｉＧｅを使用する場合、最高使用温度は１０００℃程度である。また、ろう材や接着剤等の接合材の融点は、熱電変換モジュールの使用温度よりも高く、かつ熱電半導体の融点よりも低い必要がある。このことから、熱電変換モジュール１００の最高使用温度以上に熱電変換モジュールを加熱してしまうと、接合材が溶融して熱電変換モジュールが破損してしまう虞がある。

他方、冷却部の下流では冷却部内を熱源が通過する間に熱源自体の温度が低下するため、熱電変換モジュールに負荷できる温度差が小さくなり、熱電変換モジュールの出力も低下してしまう。一般に熱電変換モジュールの出力は、熱電半導体に負荷する温度差の２乗にほぼ比例するため、冷却部の上流と下流での熱電変換モジュールの１個当たりの出力差は非常に大きくなる。

したがって、熱電変換モジュールがその性能を最大限に発揮できるのは、冷却部の上流側で尚かつ熱電変換モジュールの最高使用温度を超えない領域においてのみであり、さらに下流部ではその数分の一または数十分の一の能力しか発揮できない。このため、黒体製集熱板で覆われた熱電変換モジュールを設置できる領域は熱電変換モジュールの受熱面が最高使用温度を超えずかつ最高使用温度を大きく下回らない温度範囲に限られるため、廃熱の有効利用が十分ではなく設備コストおよび発電単価低減の観点で好ましくない。このように、廃熱を伴う冷却部を有する工業炉例えば焼結炉において発生する廃熱を熱源として熱電変換モジュールにより最大出力を得るように発電システムを構築することは難いものであった。

また、焼結炉の廃熱を利用する場合に限らず、熱電変換モジュールを有して構成される熱電変換システムにおいては、熱電変換モジュールが使用温度の上限を超えることなく、かつ熱電変換モジュールの温度を可能な限り最高使用温度に近い温度に保つことが、熱電変換システムとしての最大出力を得るために重要である。しかし熱源から受ける熱量が熱電変換モジュールの全受熱面において均一でない場合、最高温度に合わせて熱電変換システムを構築すれば温度の低い個所では発電効率が悪化し、最低温度に合わせて熱電変換システムを構築すれば温度の高い個所では熱電変換モジュールが破損してしまう問題がある。

そこで本発明は、熱電変換モジュールへの入熱量を最高使用温度以内となるものに制限し熱電変換モジュールの健全性を保つとともに、可能な限り最高使用温度に近い温度で熱電変換モジュールを作動させ、大きな総合出力を達成し、その経済性を向上させる熱電変換システムおよび熱電変換システムの高効率化方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明にかかる熱電変換システムは、少なくとも一対の熱電素子と、熱源から放射で熱を受ける受熱部と、該受熱部の反対側に位置して冷媒により冷却される放熱部とを備え、受熱部と放熱部との温度差により発電する少なくとも１つの熱電変換モジュールを有し、１または複数の受熱部の熱源を向く面によって構成される連続した又は分割された受熱面が、その各部毎に熱源から異なる熱量を与えられる熱電変換システムにおいて、受熱面は熱源から受ける熱量に応じた異なる複数の放射率を有するようにしている。

また、本発明の熱電変換システムの高効率化方法は、少なくとも一対の熱電素子と、熱源から放射で熱を受ける受熱部と、該受熱部の反対側に位置して冷媒により冷却される放熱部とを備え、受熱部と放熱部との温度差により発電する少なくとも１つの熱電変換モジュールを有し、１または複数の受熱部の熱源を向く面によって構成される連続した又は分割された受熱面が、その各部毎に熱源から異なる熱量を与えられる熱電変換システムにおいて、受熱面の各部の放射率を熱源から受ける熱量に応じた異なる値に調整して、熱電変換モジュールへの入熱量を使用上限温度以内に制限するとともに熱電変換モジュールを使用上限温度に近い温度で作動させて、総合出力を高めるようにしている。

放射率が小さいほど受熱面は熱を吸収し難くなって熱電変換モジュールは加熱され難くなり、逆に放射率が大きいほど受熱面は熱を吸収し易くなって熱電変換モジュールは加熱され易くなる。従って、熱源から大きな熱量を受ける受熱面では、小さな放射率とすることで、その受熱面は加熱され難くなり、熱電変換モジュールの加熱温度を最高使用温度以内に制限して、熱電変換モジュールの健全性を保つことができ、しかも受熱面と冷却面との温度差は大きくなるから、高い発電効率を達成することができる。一方、熱源から受ける熱量が小さい受熱面では、大きな放射率とすることで、加熱され易くなり、熱電変換モジュールの加熱温度を最高使用温度に近い温度に保って、受熱面と冷却面との温度差を大きくして、高い発電効率を達成することができる。

また、本発明の熱電変換システムにおける受熱面の放射率は、例えば受熱面を構成する素材の選択、または素材の一部または全部を覆う１または２以上の被覆材の選択、または受熱面の表面粗さの調整のいずれか又はこれらの組み合わせによって、目的値に設定されることが好ましい。この場合、受熱面を構成する材料の選択や受熱面の仕上げの状態によって、容易に受熱面の放射率を最適値に調整することができ、熱電変換モジュールへの入熱量を最高使用温度以内となるものに制限し熱電変換モジュールの健全性を保つとともに、可能な限り最高使用温度に近い温度で熱電変換モジュールを作動させることができる。ここで、受熱面の放射率は、モジュール毎あるいは１つの受熱面の中で部分的に異ならせることが可能である。

また、本発明の熱電変換システムにおいて、受熱面は、異なる放射率を有する２以上の材料、２以上の被覆材、または１以上の被覆材と受熱板を構成する材料の素地、あるいは２以上に調整された表面粗さ、更には異なる放射率の材料若しくは被覆材更には任意の表面粗さとの組み合わせが並べられることによって構成されることが好ましい。この場合において、これら組み合わせは規則的に並べられて受熱面を構成することがより好ましく、更に好ましくは受熱面における熱電素子の投影面内に異なる放射率の材料・被膜・表面粗さの列が存在することである。この場合、受熱面としての放射率は受熱面を構成する各素材の放射率の平均値とほぼ等しくなり、要求される放射率の材料が入手できないような場合にも、目的とする放射率を得ることができる。

また、本発明の熱電変換システムにおいて、熱源から与えられる熱量が大きい受熱面に該当する熱電素子には動作温度の高いものが選択され、熱源から与えられる熱量が小さい受熱面に該当する熱電素子には動作温度の低いものが選択されることが好ましい。この場合、熱電変換モジュールをより高い発電効率で作動させることができる。

また、本発明の熱電変換システムにおいて、熱源は移動熱源であり、熱電変換モジュールは、移動熱源の移動経路に沿って設けられるとともに、移動経路上流における受熱面の放射率が、移動経路下流における受熱面の放射率よりも小さく設定されるようにしている。

したがって、熱電変換モジュールを最高使用温度以上に加熱し得る大きな熱量を生じる移動経路上流の熱源と対する受熱面では、小さな放射率とすることで、その受熱面は加熱され難くなり、熱電変換モジュールの加熱温度を最高使用温度以内に制限して、熱電変換モジュールの健全性を保つことができ、しかも受熱面と冷却面との温度差は大きくなるから、高い発電効率を達成することができる。一方、発生熱量が減少する移動経路下流の熱源と対する受熱面では、大きな放射率とすることで、加熱され易くなり、熱電変換モジュールの加熱温度を最高使用温度に近い温度に保って、受熱面と冷却面との温度差を大きくして、高い発電効率を達成することができる。

また、本発明の熱電変換システムにおいて、移動熱源は、焼結炉の炉心管内を加熱部から冷却部へと移動するワークであり、冷却部では炉心管の周囲に冷却ジャケットが備えられ、熱電変換モジュールは、冷却部における炉心管の内面にワークの移動経路に沿って設置されている。したがって、従来実用化が難しかった焼結炉の冷却部における廃熱を利用した効率的な発電を行うことができる。

本発明にかかる熱電変換システムおよび熱電変換システムの高効率化方法によれば、熱源から受ける熱量に応じた適切な複数の放射率を有する受熱面を備えているので、熱電変換モジュールへの入熱量を最高使用温度以内となるものに制限し熱電変換モジュールの健全性を保つとともに、可能な限り最高使用温度に近い温度で熱電変換モジュールを作動させることができる。即ち、黒体に覆われた受熱面では最高使用温度を超えるような熱源温度の領域でも、小さな放射率とすることで、その受熱面を加熱され難くして熱電変換モジュールの加熱温度を最高使用温度以内に制限して、熱電変換モジュールの健全性を保ち、その反面、熱源から受ける熱量が小さい受熱面では、大きな放射率とすることで、加熱され易くして熱電変換モジュールの加熱温度を最高使用温度に近い温度に保って、受熱面と冷却面との温度差を大きくできるので、高い発電効率を達成することができる。これにより、熱電変換システムは、廃熱の利用度を高めると共に大きな発電量を達成し、その経済性を向上させることができる。

さらに本発明の熱電変換システムによれば、受熱面を構成する材料や被覆材の選択あるいは受熱面の表面粗度の調整などによって、多様な材料の中から適宜放射率が選定できるし、それにもかかわらず要求される放射率の材料が入手できないような場合でも、受熱面の放射率を容易に最適値に調整し、熱電変換モジュールへの入熱量を最高使用温度以内となるものに制限し熱電変換モジュールの健全性を保つとともに、可能な限り最高使用温度に近い温度で熱電変換モジュールを作動させることができる。

さらに本発明の熱電変換システムにおける受熱面は、異なる放射率の材料あるいは被覆材の組み合わせ若しくは表面粗さの選択によって任意の放射率が得られるようにしているので、受熱面全体あるいは１つの受熱面の中で部分的に放射率を異ならせることが可能である。受熱面全体の放射率は受熱面を構成する各素材の放射率の平均値とほぼ等しくなり、要求される放射率の材料が入手できないような場合にも、目的とする放射率を得ることができる。また、本発明において受熱面は、複数の素材、被覆などの組み合わせが規則的に並べられて構成されているので、受熱面全体での放射率のむらが少なくなる。更に、本発明において受熱面は、組み合わされる放射率の異なる材料・被膜・表面粗さの単位大きさを受熱面に接する熱電素子の面積よりも細かくしているので、熱電半導体のチップ毎に温度のばらつきが生じてしまうことがない。

さらに本発明にかかる熱電変換システムによれば、放射率の最適化と相まって熱源から受ける熱量に応じた異なる動作温度を有する熱電素子を備えているので、より高温の熱源に対して熱電変換モジュールが使用温度の上限を超えることなく、かつより低い熱源に対して熱電変換モジュールをその最高使用温度に近い温度に保つことを可能にすることができ、熱電変換モジュールをより高い発電効率で作動させることができる。

さらに熱電変換システムによれば、焼結炉の冷却部において生じる廃熱を利用した効率的な発電を行うことができるので、焼結炉の冷却部で生じる廃熱を利用した発電の実用化を可能にする。

本発明の熱電変換システムの実施の一形態を示し、焼結炉に適用した例を示す当該焼結炉の側面図である。上記焼結炉の冷却部における正面から見た断面図である。上記焼結炉の概略構成図である。上記焼結炉におけるワークの温度とワーク流れ方向位置との関係を示すグラフである。熱電変換モジュールの構成例を示す構成図である。熱電変換モジュールの他の構成例を示す構成図である。熱電変換モジュールのさらに他の構成例を示す構成図である。熱電変換モジュールのさらに他の構成例を示す構成図である。受熱面の放射率の設定法の一例を示す上面図である。受熱面の放射率の他の設定法を示す上面図である。受熱面の放射率の更に他の設定法を示す上面図である。受熱面の各部毎に熱源から異なる熱量が与えられる場合を示し、（Ａ）は熱源が受熱面に対して移動する場合、（Ｂ）は熱源と受熱面上の各点との距離が異なる場合、（Ｃ）は熱源自体の温度分布が不均一である場合を示す。本発明の実施例と比較例における受熱面温度と熱源温度の変化の違いを表すグラフである。熱電変換モジュールの他の構成例を示す構成図である。熱電変換モジュールの他の構成例を示す構成図である。従来の熱電変換モジュールの構成例を示す構成図である。

符号の説明

１熱電変換システム
２熱電素子
３熱源、ワーク、黒鉛製箱
４冷媒
５熱電変換モジュール
６受熱部
６１受熱板
７放熱部
７１冷却板
７ａ冷却面
８焼結炉
９炉心管
９ａ予熱部
９ｂ均熱部
９ｃ冷却部
１１冷却ジャケット
１８受熱面

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１から図１２に本発明の熱電変換システムおよび熱電変換システムの高効率化方法の実施の一形態を示す。この熱電変換システム１は、少なくとも１つの熱電変換モジュール５と、該熱電変換モジュールの高温側受熱面１８を加熱する熱源３と、熱電変換モジュールの低温側受熱面７ａを冷却する冷熱源（冷媒）４とを有し、熱源３からの放射熱によって熱電変換モジュール５の受熱面１８を加熱するものである。熱電変換モジュール５は、少なくとも一対の熱電素子２と、これら熱電素子２の高温側の受熱面１８として熱源３とは非接触に配置され当該熱源３から放射で熱を受ける受熱部６と、熱電素子２の低温側の受熱面７ａとして冷却源と接触させて配置され冷媒４により冷却される放熱部７とを備え、受熱部６と放熱部７との間に生じる温度差により発電する。この熱電変換システム１は、全ての熱電変換モジュールの高温側の受熱面に対して等しい放射熱が与えられるものではなく、熱電変換モジュール毎あるいは個々の熱電変換モジュールの受熱面の中でも部分的（部位毎）に熱源３から受ける放射熱量が異なる条件下において好適に用いられるものであり、熱電変換モジュール５の熱源に対して非接触である受熱面１８が熱源３から受ける熱量に応じた異なる複数の放射率を有するようにしている。

熱電変換モジュール毎あるいは個々の熱電変換モジュールの受熱面の部位毎に熱源３から異なる熱量が与えられる場合としては、例えば図１２（Ａ）に示すように熱源３が受熱面１８に対して移動する場合、図１２（Ｂ）に示すように熱源３と受熱面１８上の各点との距離が異なる場合、図１２（Ｃ）に示すように熱源３自体の温度分布が不均一である場合が考えられ、どの場合にも本発明は適用可能である。尚、図１２（Ｃ）の熱源３は色が濃い部分ほど高温であることを示している。

例えば焼結炉に適用した本実施形態では、熱源３は移動熱源であり、熱源自体の温度が下流側に移動するに従って低下するものである。熱電変換モジュール５は、移動熱源３の移動経路に沿って設けられるとともに、移動経路上流における受熱面１８の放射率が、移動経路下流における受熱面１８の放射率よりも小さく設定されるものとしている。移動熱源３は、例えば焼結炉８の炉心管９内を加熱部から冷却部へと移動するワークであり、より具体的には、このワーク３は焼結製品が入れられた黒鉛製箱である。焼結炉８は、例えば図２に示すようにトンネル状の炉心管９を有している。そして、この炉心管９は図３に示すように軸方向に沿って予熱部９ａ、均熱部９ｂおよび冷却部９ｃに分かれている。予熱部９ａおよび均熱部９ｂでは、炉心管９の周囲に電気ヒーターやバーナを備えるガス加熱ジャケットなどの加熱装置１０ａ，１０ｂが備えられている。冷却部９ｃでは炉心管９の周囲に冷却ジャケット１１が備えられている。尚、冷却ジャケット１１は例えばＳＵＳ製炉心管９の周りを更にＳＵＳ製外殻で覆って炉心管９との間に冷媒４を流す空間を形成したものであり、冷媒４として冷却水を用いるものである。焼結製品は黒鉛製箱３に入れられて、炉心管９内のコンベアーに乗せられるか、あるいは入り口側から次々と押し込まれるなどの方法により、この炉心管９内を予熱部９ａ、均熱部９ｂ、冷却部９ｃの順に通過する。従って焼結製品が入れられた黒鉛製箱３は、予熱部９ａおよび均熱部９ｂで加熱され、冷却部９ｃで冷やされる。また、図２の実施形態は既存の焼結炉に対して熱電変換モジュールを取り付ける場合を示したものであり、炉心管９のドーム形に湾曲した天井と熱電変換モジュール５との間には、熱電変換モジュール５を密着させて取り付けるために熱伝導性に優れる材質のグラウト材例えば銅ブロック２０などが介在されている。勿論、炉心管９の天井形状が熱電変換モジュール５の低温側の冷却部（冷却板７１）７を直接密着させて取り付け得るに適した形状例えば山形（∧）あるいは広い平担面に形成されている場合には、熱伝導性に優れるグラウト材を必ずしも介在させることはない。

図４にワーク３の流れ方向位置とワーク３の温度との関係の一例を示す。図３および図４中の符号Ｌ１は予熱部９ａの軸方向長さを示し、符号Ｌ２は均熱部９ｂの軸方向長さを示し、符号Ｌ３は冷却部９ｃの軸方向長さを示す。熱電変換モジュール５は、冷却部９ｃにおける炉心管９の内面に、ワーク３の移動経路に沿って設置されている。図３および図４中の符号Ｌ４は、熱電変換モジュール５が設置される領域の軸方向長さを示す。ワーク３の廃熱を有効利用する観点からは、熱電変換モジュール５の設置範囲Ｌ４は、熱電変換モジュール５の使用温度を上限温度に制限し得る範囲で、ワーク３の温度が高い均熱部９ｂ出口すなわち冷却部９ｃ入口にできる限り近い地点より開始することが好ましく、熱電変換モジュール５による効率的な発電が可能である限り、長くすることが好ましい。

予熱部９ａおよび均熱部９ｂで加熱された熱源３としての黒鉛製箱は、熱電変換モジュール５とは接触せずに熱電変換モジュール５に沿って冷却部９ｃの上流から下流へと移動し、熱電変換モジュール５は黒鉛製箱３から放射で熱を受け、その反対側の面７ａを冷却ジャケット１１によって冷却される。熱電変換モジュール５は受熱面１８と冷却面７ａとの温度差すなわち熱落差により発電し、発生した電力は図示を省略する電力回収用ラインを介して蓄電装置や電力利用機器に供給される。

熱電変換モジュール５の構成例の１つを図５に示す。この熱電変換モジュール５は、交互に並ぶ複数対のＰ型熱電半導体２ａ及びＮ型熱電半導体２ｂと、隣接するＰ型熱電半導体２ａとＮ型熱電半導体２ｂとを電気的に直列に接続する電極１２と、熱源３側の電極１２を被覆して受熱部６を構成する電気絶縁性を備える受熱板６１と、冷媒４側の電極１２を被覆して放熱部７を構成する電気絶縁性を備える冷却板７１とを有している。受熱板６１および冷却板７１は、熱伝導性を有する材質であれば特に材質には限定されないが、熱伝導性に優れる材質であることが好ましく、多くの場合には金属で構成されているが、場合によっては電気絶縁層を兼ねるセラミックスなどの電気絶縁性材料で構成されることもある。金属製の受熱板６１、冷却板７１の場合には、電極１２との間に絶縁層が形成される。これら受熱板６１、電極１２、熱電素子２、冷却板７１がろう材あるいは接着剤等の接合材で結合されて熱電変換モジュール５が組み立てられる。この熱電変換モジュール５の冷却面７ａは、熱源３と冷媒４とを仕切る隔壁としての炉心管９の内面に接着剤等の接合材によって固着される。尚、炉心管９の内面が電気絶縁性の材料で構成される場合には、冷却板７１は無くても構わない。この場合は、冷媒４側の電極１２が放熱部７として機能する。

熱電変換モジュール５の他の構成例を図６に示す。この熱電変換モジュール５は、交互に並ぶ複数対のＰ型熱電半導体２ａ及びＮ型熱電半導体２ｂと、隣接するＰ型熱電半導体２ａとＮ型熱電半導体２ｂとを電気的に直列に接続するＦＧＭコンプライアント・パッド１３と、熱源３側のＦＧＭコンプライアント・パッド１３を被覆して受熱部６を構成する受熱板６１と、冷媒４側のＦＧＭコンプライアント・パッド１３を被覆して放熱部７を構成する冷却板７１とを有する。ＦＧＭコンプライアント・パッド１３は、熱電素子２側で電極層を構成し、受熱板６１または冷却板７１側で電気絶縁層を構成するものである。ＦＧＭコンプライアント・パッド１３は、電極層と電気絶縁層から成る傾斜機能材料（ＦＧＭ）、すなわち熱電素子２側が電極層、その反対側が電気絶縁層で、両者の組成が連続的に変化するものであり、例えば特許第３０５６０４７号や特許第３４８２０９４号に開示された物を利用することができる。尚、両面が電極層、内部が電気絶縁層から成るＦＧＭコンプライアント・パッドを用いても良い。これら受熱板６１、ＦＧＭコンプライアント・パッド１３、熱電素子２、冷却板７１がろう材あるいは接着剤等の接合材で結合されて熱電変換モジュール５が組み立てられる。この熱電変換モジュール５の冷却面７ａは、熱源３と冷媒４とを仕切る隔壁としての炉心管９の内面にろう材あるいは接着剤等の接合材によって固着される。尚、ＦＧＭコンプライアント・パッド１３自体に電気絶縁性があるため、炉心管９の内面が電気絶縁性の材料で構成されるか否かにかかわらず、冷却板７１は無くてもよい。この場合は、冷媒４側のＦＧＭコンプライアント・パッド１３が放熱部７として機能する。

本実施形態では、図５または図６に示す熱電変換モジュール５を、図１および図２に示すように冷却部９ｃにおける炉心管９の内面にワーク３の移動経路に沿って複数設置している。従って、熱源３であるワークから放射により熱を受ける受熱面１８は複数存在する。換言すれば、ワーク３から放射により熱を受ける受熱面１８は複数に分割されている。但し、１つの大きな連続した受熱面１８を有する単一の熱電変換モジュール５のみを設置する構成としても構わない。単一の熱電変換モジュール５とする構成の場合は、受熱面１８上の温度分布によって受熱板６１に大きな熱応力が作用する恐れがあるので、受熱板６１にスリットを形成して応力を逃がす構成とすることが好ましい。また、熱電変換モジュール５を最小単位の熱電素子２を有するものに微細化する、例えばＰ型とＮ型の熱電半導体２ａ，２ｂを各１個備えるユニ・カップル型としても構わない。また、受熱板６１は、熱電変換モジュール５の機械的強度を高め、また取付作業時の取り扱いを容易にする観点から設けることが好ましいが、熱電変換モジュール５を最小単位に微細化する場合等は、受熱板６１を設けずに、熱源３側の電極１２やＦＧＭコンプライアント・パッド１３を受熱部６として機能させても良い。更にこの場合、熱電素子２の側面が熱源３から放射で熱を受けると熱電素子２の熱落差が小さくなり発電効率が低下するので、図７および図８に示すように、受熱板６１や電極１２またはＦＧＭコンプライアント・パッド１３を延長して、熱電素子２の側面を覆い隠すスカート部１４を設けることが好ましい。

本実施形態のように、熱源３が複数の熱電変換モジュール５に接触せずにこれらに沿って移動し、熱電変換モジュール５はこの熱源３から放射で熱を受け、その反対側の面７ａを冷却される熱電変換システム１においては、熱源３の移動方向のある局所での熱源３から熱電変換モジュール５の受熱面１８に放射で伝達される熱量Ｑ_Ｒａｄは、次式で示される。

＜数１＞
Ｑ_Ｒａｄ＝σ（Ｔ_１ ^４−Ｔ_２ ^４）／（１／ε_１＋１／ε_２−１）
ここに、
σ：Staphan-Boltzmann 定数＝５．６７×１０^−８（Ｗ／ｍ^２Ｋ^４）
Ｔ_１：熱源の絶対温度（Ｋ）
Ｔ_２：熱電変換モジュールの受熱面の絶対温度（Ｋ）
ε_１：熱源の放射率
ε_２：熱電変換モジュールの受熱面の放射率

一方、熱電変換モジュール５の内部を流れる熱量Ｑ_Ｃｏｎは次式で与えられる。

＜数２＞
Ｑ_Ｃｏｎ＝（Ｔ_２−Ｔ_３）／Ｒ_{Ｔｏｔａｌ}
ここに、
Ｔ_２：熱電変換モジュールの受熱面の絶対温度（Ｋ）
Ｔ_３：冷却ダクト内の冷却媒体主流の絶対温度（Ｋ）
Ｒ_{Ｔｏｔａｌ}：熱電変換モジュールの熱抵抗および冷却ダクト内の熱伝達係数を考慮した合成熱抵抗

熱電変換モジュール５の側面への熱の逃げを無視すると、上記のＱ_ＲａｄおよびＱ_Ｃｏｎは等しい。従って、冷却部９ｃの最も上流、換言すれば均熱部９ｂの出口での熱源３の絶対温度Ｔ_１および冷却部９ｃの最も上流、換言すれば冷却部９ｃの入口での冷却ジャケット１１内の冷媒４の主流の絶対温度Ｔ_３が与えられると、上記数式１および数式２から成る連立方程式を解くことにより、熱源３の流れ方向の各微小領域における熱電変換モジュール５内部を流れる熱量および熱電変換モジュール５の受熱面１８の絶対温度Ｔ_２が求められる。この計算を各微小領域にわたって繰り返すことで、流れ方向のＴ_１，Ｔ_２，Ｔ_３の温度履歴が求まる。一方、受熱面温度Ｔ_２については、熱電素子２の作動可能温度や熱電変換モジュール５の組み立ての際に使用する接着剤等の接合材の融点などに基づいて、熱電変換モジュール５が健全性を保つことができ尚且つ受熱面１８と冷却面７ａとの温度差をできるだけ大きくして高い発電効率を達成できる最適値を求めることができる。最適な受熱面温度Ｔ_２が求まれば、当該最適値Ｔ_２が得られる受熱面１８の放射率ε_２を数式１に基づいて求めることができる。

熱源３の放射率ε_１については、厳密には温度依存性があるために、熱源３が冷却部９ｃの上流から下流へ移動するにつれて若干変化するものの、大きな変化はない。いずれにせよ熱源３の放射率ε_１は冷却部９ｃ上流から下流への熱源３の移動に伴って人為的に変化させることはできない。一方、複数の熱電変換モジュール５の各受熱面１８の放射率ε_２、または１つの熱電変換モジュール５の１つの受熱面１８の各部の放射率ε_２は、最適な値に設定することができる。

放射率は、材料のみならず、表面仕上げ状態にも依存し、また空気中での使用する場合には、酸化の程度にも依存する。したがって、受熱面１８の放射率ε_２は、例えば受熱面１８を構成する材料の選択によって、または受熱部を構成する材料を素地としてその一部または全部を覆う１または２以上の被覆材の選択によって、または受熱面１８の表面の仕上げの状態すなわち受熱面１８の表面粗さの程度によって、目的とする値に設定することができる。勿論、上述した方策の一部または全部を組み合わせて、受熱面１８の放射率ε_２を目的とする値に設定することも可能である。被覆材は、例えばコーティングまたは蒸着、メッキ、塗装、貼り付けなどによって素地となる受熱部を構成する材料（素地材と呼ぶ）の表面に付着させることができる。また、受熱面１８を鏡面仕上げとすれば放射率を小さくでき、受熱面１８上に微細な凹凸があるような粗仕上げとすれば放射率を大きくできる。

熱電変換モジュール５の受熱部６または受熱部６の一部または全部を覆う被覆材の候補を表１に示す。また、材料の参考放射率を表２に示す。但し、表１および表２に示す材料は好適例であって、本発明に係る受熱面１８を構成する素地材や当該素地材を覆う被覆材がこれらに限定されるものではなく、これらの他にも多種多様な材料の中から最適な放射率の材料を選定することができる。尚、放射率は、雰囲気の酸化の程度にも依存する。従って、熱電変換モジュール５を使用する雰囲気の状態が、酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるか不活性雰囲気であるかも考慮して材料選定を行うことが好ましい。

また、コーティングする材料は多様な材料の中から選定できるが、それにもかかわらず要求される放射率の材料が入手できないような場合には、異なる放射率を有する２以上の材料を素地となる受熱板６１あるいは受熱部６として機能する電極１２やＦＧＭコンプライアント・パッド１３の上に並べてコーティングあるいは貼着することにより受熱面１８を構成するようにしても良い。例えば図９に示すように、異なる放射率を有する２つの被覆材１５ａ，１５ｂを規則的に並べて、例えば細かい格子模様状に受熱板６１にコーティングして、受熱面１８を構成するようにしても良い。或いは図１０に示すように、異なる放射率を有する被覆材１５と素地材１６とを用い、受熱板６１の上に素地材１６をコーティングした上から更に被覆材１５を細かく規則的に並ぶように、例えば格子模様状にコーティングして、受熱面１８を構成するようにしても良い。図９または図１０のようにコーティングすることで、受熱面１８を構成する２つの材料の放射率が例えば０．２と０．４であった場合、その受熱面１８全体としては放射率０．３の材料をコーティングしたのとほぼ同じ効果が得られる。この際、同じ受熱面１８に取り付けられる熱電素子２のチップ毎に温度のばらつきが生じてしまわないように、上記格子模様を熱電素子２のチップ平面寸法よりも充分に細かくすることが好ましい。換言すれば、受熱面１８における熱電素子２の投影面内に、異なる放射率の材料よりなる列が存在することが好ましい。尚、異なる放射率の材料や被覆材の組み合わせあるいは面粗度の調整により放射率を制御する場合には、２つの材料を規則的に並べて受熱面１８を構成するものには限らず、３つ以上の材料などを組み合わせたり、これら組み合わせなどを不規則的に配列することによって構成するようにしても良い。図１１に示すように、１つの受熱面１８の中で放射率を変化させ無ければならない場合、例えば１つの大きな連続した受熱面１８を有する単一の熱電変換モジュール５のみを設置するような場合には、受熱面１８の一部に上記格子模様のコーティングを施すようにしても構わない。即ち、異なる放射率を有する２以上の材料は必ずしも同一全面上で規則的に並ぶとは限らず、例えば複数材料により構成される受熱面１８上の模様が徐々に変化する場合もあり得るし、一の受熱面１８が３以上の材料により構成される場合もあり得る。受熱面１８の熱源の移動方向において上流側となる端部と下流側となる端部とで異なる放射率の被覆材をコーティングしあるいは材料を貼着する一方、それらの間に２種あるいは３種以上の異なる放射率の被覆材あるいは材料をコーティングないし貼着して放射率を段階的にあるいは傾斜的に変化させるようにしても良い。

例えば本実施形態では、熱源３から大きな熱量を与えられる冷却部９ｃの上流に位置する受熱面１８は小さな放射率を有するものとし、熱源３から与えられる熱量が小さくなる冷却部９ｃの下流へと進むに従って、受熱面１８の放射率を、徐々に大きくするようにしている。例えば図１の例では、受熱面１８Ａの放射率＜受熱面１８Ｂの放射率＜受熱面１８Ｃの放射率＜受熱面１８Ｄの放射率としている。ここで、冷却部９ｃの上流から下流方向への受熱面１８の放射率の増加の仕方は、段階的（階段状）であっても良く、連続的（冷却部９ｃの上流から下流方向への位置と当該位置における受熱面１８の放射率とが１次または２次以上の関数で表される関係）であっても良い。また、上流から下流方向に向かって階段状に放射率を増加させる場合、同一放射率となる区間の長さは同じとしても良く、異ならせても良い。ここで、放射率は、受熱面１８にコーティング可能な材料あるいは受熱面を構成する材料で最も大きな値にしたときに高温側受熱面温度が熱電素子の最高使用温度を超える領域では、受熱面１８の放射率を少なくとも前述の値よりも小さくして高温側受熱面温度が熱電素子の最高使用温度を超えないようにしてかつできるだけ最高使用温度に近づく値となるように調整することが好ましい。

放射率が小さいほど受熱面１８は熱を吸収し難くなって熱電変換モジュール５は加熱され難くなり、逆に放射率が大きいほど受熱面１８は熱を吸収し易くなって熱電変換モジュール５は加熱され易くなる。従って、熱電変換モジュール５を最高使用温度以上に加熱し得る大きな熱量を生じる冷却部９ｃの上流の熱源３と対する受熱面１８では、小さな放射率とすることで、その受熱面１８は加熱され難くなり、熱電変換モジュール５の加熱温度を最高使用温度以内に制限して、熱電変換モジュール５の健全性を保つことができ、しかも受熱面１８と冷却面７ａとの温度差は大きくなるから、高い発電効率を達成することができる。一方、発生熱量が減少する冷却部９ｃ下流の熱源３と対する受熱面１８では、冷却部９ｃ上流の受熱面１８よりも大きな放射率とすることで加熱され易くなり、熱電変換モジュール５の加熱温度を最高使用温度に近い温度に保って、受熱面１８と冷却面７ａとの温度差を大きくして、高い発電効率を達成することができる。換言すれば、冷却部９ｃの上流側の受熱面１８の放射率を小さくすることで、熱電変換モジュール５の設置範囲Ｌ４の開始位置を、より冷却部９ｃの入口近傍に設定でき、冷却部９ｃの下流側の受熱面１８の放射率を大きくすることで、熱電変換モジュール５の設置範囲Ｌ４をより長く設定することができる。しかも、黒体製集熱材を用いる場合に比べて遙かに低い最高使用温度の熱電素子を用いて発電することが可能となる。

以上のように、熱源３から受ける熱量に応じた適切な複数の放射率を有する受熱面１８を構成することで、熱源温度が最も高い冷却部上流側における熱電変換モジュール５への入熱量を最高使用温度以内となるものに制限し熱電変換モジュール５の健全性を保つとともに、熱源温度が低下した冷却部下流側においては可能な限り最高使用温度に近い温度で熱電変換モジュール５を作動させることができる。これにより、熱電変換システム１は、大きな総合出力を達成し、経済性を向上させることができる。

さらに、コーティング材料の選択や表面仕上げ状態などの変更による放射率制御によっても受熱面を構成する加熱部の温度が使用している熱電素子の最高使用温度を超える場合、あるいは最高使用温度に近づけることが難しい場合には、熱電素子の変更との併用によって対応することが可能である。例えば熱電素子２としてＢｉＴｅを使用する場合の最高使用温度は２２０℃程度であり、ＦｅＳｉを使用する場合の最高使用温度は７００℃程度であり、ＳｉＧｅを使用する場合の最高使用温度は１０００℃程度である。冷却部９ｃの上流における熱電変換モジュール５には動作温度の高い熱電素子２を使用すると共に受熱部６の放射率を小さくすることによって、より高温の熱源に対応可能とし、冷却部９ｃ下流における熱電変換モジュール５には動作温度の低い熱電素子２を使用すると共に放射率を大きくすることによって、より低温の熱源に対しても熱電変換モジュール５の最高使用温度に近づけることを可能とする。これにより、熱電変換システム１は、更に大きな発電量を達成し、経済性（出力／コスト）を更に向上させることができる。

図１〜図４に示す焼結炉８の冷却部９ｃの炉心管９の内面にワーク３の移動経路に沿って複数の熱電変換モジュール５を設置した。この焼結炉８の予熱部９ａの軸方向長さＬ１は３ｍであり、均熱部９ｂの軸方向長さＬ２は４ｍであり、冷却部９ｃの軸方向長さＬ３は８ｍである。図４に示すように、予熱部９ａおよび均熱部９ｂで加熱されたワーク（黒鉛製箱）３は均熱部９ｂの出口すなわち冷却部９ｃの入口で１１００℃となっている。冷媒４としての冷却水の主流温度は３０℃でほぼ一定と仮定する。冷却部９ｃにおける炉心管９の内部では還元雰囲気となっている。熱電変換モジュール５としては最高使用温度５５０℃の熱電素子を用い、熱電変換モジュール５の設置範囲Ｌ４は冷却部入口から２．５ｍとした。但し、熱電変換モジュール５を設置する範囲Ｌ４はこの例に限定されるものではない。

本実施例では、熱電変換モジュール５の設置領域Ｌ４をワークの流れ方向に１０等分し、各領域の受熱面１８の放射率ε_２を以下の表３のように設定した。尚、第１領域の熱電変換モジュール５の受熱面１８は研磨した鉄で構成し、第２領域の熱電変換モジュール５の受熱面１８はニッケルで構成し、第３領域の熱電変換モジュール５の受熱面１８は黄銅で構成し、第４〜第１０領域の受熱面１８は酸化した鉄で構成した。

そして、上記１０分割した各領域のワーク（黒鉛製箱）３の温度Ｔ_ＢＯＸと、熱電変換モジュール５の受熱面１８の温度Ｔ_ＨＯＴを測定した。また、比較例として、すべての熱電変換モジュール５の受熱面１８を酸化した鉄（放射率０．７９）で構成した場合のワーク温度Ｔ_ＢＯＸと受熱面温度Ｔ_ＨＯＴも測定した。測定結果を図１３に示す。図中の実線で示し且つ◆で示すプロットが実施例のワーク温度Ｔ_ＢＯＸのワーク流れ方向の変化を表し、実線で示し且つ▲で示すプロットが実施例における各領域の受熱面温度Ｔ_ＨＯＴを表す。また、図中の破線で示し且つ●で示すプロットが比較例のワーク温度Ｔ_ＢＯＸのワーク流れ方向の変化を表し、破線で示し且つ■で示すプロットが比較例における各領域の受熱面温度Ｔ_ＨＯＴを表す。また、図中のＴ_ＣＯＬＤは冷却水の主流温度を示す。

図１３から明らかなように、比較例では第１，２領域での受熱面温度Ｔ_ＨＯＴが熱電変換モジュール５の最高使用温度５５０℃を超えてしまっており、熱電変換モジュール５が破損してしまう。一方、実施例では第１〜３領域の受熱面温度Ｔ_ＨＯＴは熱電変換モジュール５の最高使用温度である５５０℃程度に抑えられている。つまり、冷却部９ｃの上流である第１〜３領域では、熱電変換モジュール５の受熱面１８は最高使用温度近傍に加熱されている。従って第１〜３領域の熱電変換モジュール５は、健全性を保ちつつ、最高の性能を発揮できる。

また、実施例における第４領域以降の受熱面温度Ｔ_ＨＯＴは、冷却部９ｃの下流に進むに従って徐々に低下しているが、比較例よりも高い。また、ワーク温度Ｔ_ＢＯＸも、比較例よりも本実施例の方が高い。これは、本実施例の場合、冷却部９ｃの上流（第１〜第３の領域）の熱電変換モジュール５の受熱面１８の放射率が小さいので、ワーク３の温度が下がらずワーク３が比較例よりも長く高温に維持されるからと考えられる。即ち、本実施例では、比較例よりも、冷却部９ｃの下流における受熱面１８と冷却面７ａとの温度差を大きくできる。出力は熱電素子２に負荷する温度差のほぼ２乗に比例することから、本実施例では第４領域以降の熱電素子２に負荷される温度差が比較例に対して約１０％増加するため、これによる出力の増加は約２０％と見積もられる。従って、第４領域以降の熱電変換モジュール５の発電性能も本発明により向上する。

以上のように、本発明により熱電変換モジュール５の健全性を保つと同時に、熱電変換システム１としての出力増加を達成でき、発電性能を向上できることが確認できた。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれ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において種々変形実施可能である。例えば本発明は、上記の焼結炉８のように熱電変換モジュール５に対して熱源３が移動するものには限られず、熱電変換モジュール５の受熱面１８と熱源３との位置関係が固定されていても良い。複数の各受熱面１８または１つの受熱面１８の各部において熱源３から受ける熱量を計算又は計測により求めれば、当該受熱面１８の各部における最適な放射率、即ち熱電変換モジュールへの入熱量を最高使用温度以内となるものに制限し且つ可能な限り最高使用温度に近い温度で熱電変換モジュールを作動させる最適な放射率を求めることができる。また、熱電変換モジュール５の冷却面７ａを冷やす冷媒４は冷却水に限らず、例えば自然空気の自然対流により冷却面７ａを冷やすようにしても良い。

また、図７および図８に示す例では、ユニ・カップル型の熱電変換モジュール５において、熱電素子２の側面を覆い隠すスカート部１４を設けたが、図５や図６に示す複数のＰ型熱電半導体２ａと複数のＮ型熱電半導体２ｂとを備える熱電変換モジュール５にもスカート部１４を設けても勿論良い。例えば図１４および図１５に示すように受熱板６１を延長して冷却面７ａ側に向かって折り曲げて、熱電素子２の側面を覆い隠すスカート部１４を設けるようにしても良い。また、熱源３と冷媒４とを仕切る隔壁（炉心管９）と、スカート部１４との間に生じる隙間が大きいと、この隙間を介して熱電素子２の側面が熱源３から放射で熱を受ける虞がある。そこで、例えば図１４および図１５に示すように、冷却板７１を延長して受熱面１８側に向かって折り曲げて、熱電素子２の側面を覆い隠す遮蔽部１９を設けるようにしても良い。この遮蔽部１９は図７および図８に示すユニ・カップル型の熱電変換モジュール５に設けても勿論良い。尚、スカート部１４および遮蔽部１９は、受熱板６１または冷却板７１等と一体であるものに限られず、別部材であるスカート部１４や遮蔽部１９を接着等の固定手段により受熱板６１や冷却板７１等に固定しても良い。さらに、スカート部１４および遮蔽部１９の表面１４ａ，１９ａ、即ち熱電変換モジュール５の側面を構成する面の放射率を、できる限り小さく、具体的には受熱面１８の放射率以下、より好ましくは受熱面１８の放射率未満とすることが望ましい。これにより熱電変換モジュール５の側面は加熱され難くなり、熱電素子２の熱落差が小さくなってしまうことを防止できる。

Claims

少なくとも一対の熱電素子と、熱源から放射で熱を受ける受熱部と、該受熱部の反対側に位置して冷媒により冷却される放熱部とを備え、前記受熱部と前記放熱部との温度差により発電する少なくとも１つの熱電変換モジュールを有し、１または複数の前記受熱部の前記熱源を向く面によって構成される連続した又は分割された受熱面が、その各部毎に前記熱源から異なる熱量を与えられる熱電変換システムにおいて、前記受熱面は前記熱源から受ける熱量に応じた異なる複数の放射率を有することを特徴とする熱電変換システム。
前記受熱面を構成する素地材の選択、または前記素地材の一部または全部を覆う１または２以上の被覆材の選択、または前記受熱面の表面粗さの程度のいずれか又はこれらの一部または全部の組み合わせによって、前記受熱面の各部の放射率が目的値に設定されることを特徴とする請求項１記載の熱電変換システム。
前記受熱面は、異なる放射率を有する２以上の材料が並べられて構成されることを特徴とする請求項２記載の熱電変換システム。
前記受熱面は、異なる放射率を有する２つの被覆材または１つの被覆材と素地材とが規則的に並べられて構成され、且つ当該受熱面における前記熱電素子の投影面内に上記異なる放射率の材質よりなる列が存在することを特徴とする請求項３記載の熱電変換システム。
前記熱源から与えられる熱量が大きい前記受熱面に該当する前記熱電素子には動作温度の高いものが選択され、前記熱源から与えられる熱量が小さい前記受熱面に該当する前記熱電素子には動作温度の低いものが選択されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の熱電変換システム。
前記熱源は移動熱源であり、前記熱電変換モジュールは、前記移動熱源の移動経路に沿って設けられるとともに、前記移動経路上流における前記受熱面の放射率が、前記移動経路下流における前記受熱面の放射率よりも小さく設定されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の熱電変換システム。
前記移動熱源は、焼結炉の炉心管内を加熱部から冷却部へと移動するワークであり、前記冷却部では前記炉心管の周囲に冷却ジャケットが備えられ、前記熱電変換モジュールは、前記冷却部における前記炉心管の内面に前記ワークの移動経路に沿って設置されていることを特徴とする請求項６記載の熱電変換システム。
少なくとも一対の熱電素子と、熱源から放射で熱を受ける受熱部と、該受熱部の反対側に位置して冷媒により冷却される放熱部とを備え、前記受熱部と前記放熱部との温度差により発電する少なくとも１つの熱電変換モジュールを有し、１または複数の前記受熱部の前記熱源を向く面によって構成される連続した又は分割された受熱面が、その各部毎に前記熱源から異なる熱量を与えられる熱電変換システムにおいて、前記受熱面の各部の放射率を前記熱源から受ける熱量に応じた異なる値に調整して、前記熱電変換モジュールへの入熱量を使用上限温度以内に制限するとともに前記熱電変換モジュールを上記使用上限温度に近い温度で作動させて、総合出力を高めることを特徴とする熱電変換システムの高効率化方法。