JP6675347B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

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Description

この発明は、高温側と低温側との温度差を利用して発電を行う熱電発電装置に関する。
従来から、熱源流体が流通する既存の熱源部である配管の外周を取り囲むように取り付けられ、少なくとも外面の一部に平面が設けられて、2分割以上の割り型構造を有する容器と、容器の平面に取り付けられる熱電変換モジュールと、容器内に充填されて配管に接し、当該配管を流れる熱源流体からの熱を熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、を具備した熱電発電装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許第5611739号公報
しかしながら、特許文献1に記載の熱電発電装置では、熱源流体を取り囲む容器および容器内に充填される熱伝達媒体がともに熱伝導率の高い材料で構成され、容器の分割部には熱電変換モジュールを設置することができない構造であることから、熱電変換モジュールを通過せずに容器から放出される熱量の比率が高くなる。そのため、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差が小さくなって、発電効率が低下するという問題がある。
また、特許文献1に記載の熱電発電装置では、熱電変換モジュールの容器と接触する面とは反対側の面に多数の放熱フィンを設け、この放熱フィンにより熱電変換モジュールの低温側を冷却することで、発電効率の向上を図っているが、冷却に風冷を用いた場合には、熱電変換モジュールが設置されていない容器の面にも風が当たるので、熱電変換モジュールを通過せずに容器から放出される熱量がさらに増える。そのため、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差が小さくなって、発電効率が低下するという問題がある。
また、特許文献1に記載の熱電発電装置では、熱源流体が流通する配管の径の大きさが様々であることから、配管の径の大きさと配管を取り囲む容器の大きさとが合っていないと、容器内に充填される熱伝達媒体の量が増えて熱抵抗が高くなる。そのため、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差が小さくなって、発電効率が低下するという問題がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差を大きくして、発電効率を向上させることができる熱電発電装置を得ることを目的とする。
この発明に係る熱電発電装置は、熱電変換モジュールと、2分割以上の割り型構造を有して熱源流体が流通する配管の周囲を囲んで取り付けられる熱伝導部材からなる容器と、容器の一部を成し、その外側の面に熱電変換モジュールが設置されるモジュール設置部と、容器内に充填されて容器のモジュール設置部の内側面及び配管に接し、配管を流通する熱源流体からの熱を、容器のモジュール設置部を介して熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、容器の内側面にモジュール設置部の内側面を除い設けられ、熱伝達媒体と容器との間に介在する、熱伝達媒体の熱伝導率及び容器の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導性部材と、を備えている。
また、この発明に係る熱電発電装置は、熱源流体が流通する配管からの熱を伝達する熱伝導部材、および熱伝導部材の配管とは反対側の面に設置された熱電変換モジュールを有する少なくとも3個以上の熱電変換ユニットと、これら3個以上の熱電変換ユニットを配管の周囲に巻回し接続配置する接続部材と、配管の周囲に配置された熱電変換ユニットと配管との間に充填され、配管を流通する熱源流体からの熱を熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、を備えたものである。
この発明に係る熱電発電装置によれば、熱電変換モジュールと、2分割以上の割り型構造を有して熱源流体が流通する配管の周囲を囲んで取り付けられる熱伝導部材からなる容器と、容器の一部を成し、その外側の面に熱電変換モジュールが設置されるモジュール設置部と、容器内に充填されて容器のモジュール設置部の内側面及び配管に接し、配管を流通する熱源流体からの熱を、容器のモジュール設置部を介して熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、容器の内側面にモジュール設置部の内側面を除い設けられ、熱伝達媒体と容器との間に介在する、熱伝達媒体の熱伝導率及び容器の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導性部材と、を備えている。
のため、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差を大きくして、発電効率を向上させることができる。
この発明の実施の形態1に係る熱電発電装置を示す斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る熱電発電装置を示す側面図である。 この発明の実施の形態1に係る熱電発電装置の取り付け方法を示す説明図である。 この発明の実施の形態1に係る熱電発電装置の取り付け方法を示す説明図である。 (a)、(b)は、この発明の実施の形態1に係る熱電発電装置に適用される蛇腹状の調整機構を示す説明図である。 (a)〜(c)は、この発明の実施の形態1に係る熱電発電装置の低熱伝導性部材を示す構成図である。 この発明の実施の形態1に係る熱電発電装置の熱抵抗回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態1に係る熱電発電装置の特性を示す表である。 この発明の実施の形態1に係る別の熱電発電装置を示す軸方向断面図である。 この発明の実施の形態2に係る熱電発電装置を示す軸方向断面図である。 この発明の実施の形態2に係る熱電発電装置の特性を示す表である。 この発明の実施の形態3に係る熱電発電装置を示す軸方向断面図である。 この発明の実施の形態3に係る別の熱電発電装置を示す展開図である。 (a)、(b)は、この発明の実施の形態3に係る熱電発電装置における低熱伝導性部材と容器とのネジ固定状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態3に係る熱電発電装置の特性を示す表である。 この発明の実施の形態1〜3に係る熱電発電装置に適用される各材料の仕様を示す表である。 この発明の実施の形態4に係る熱電発電装置を示す側面図である。 (a)、(b)は、この発明の実施の形態4に係る熱電発電装置を示す軸方向断面図である。 この発明の実施の形態4に係る熱電発電装置の熱電変換ユニットの取り付け前の状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態4に係る熱電発電装置の効果を示す表である。 この発明の実施の形態4に係る熱電発電装置の別の熱電変換ユニットの取り付け前の状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態4に係る熱電発電装置の別の熱電変換ユニットの取り付け後の状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態4に係る熱電発電装置の別の熱電変換ユニットの取り付け前の状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態4に係る熱電発電装置の別の熱電変換ユニットの取り付け後の状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態4に係る熱電発電装置の別の熱電変換ユニットの取り付け前の状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態4に係る熱電発電装置の別の熱電変換ユニットの取り付け後の状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態5に係る熱電発電装置を示す斜視図である。 この発明の実施の形態5に係る熱電発電装置を軸方向から見た図である。 この発明の実施の形態5に係る熱電発電装置の要部を拡大して示す図である。 この発明の実施の形態5に係る熱電発電装置における1つの熱電変換ユニットを抜粋して示す斜視図である。 この発明の実施の形態5に係る熱電発電装置における1つの熱電変換ユニットを抜粋して示す側面図である。
以下、この発明に係る熱電発電装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
なお、以下の各実施の形態では、熱電発電装置が適用される熱源として、流体が流通する配管を例に挙げて説明するが、これに限定されず、煙突等他の熱源にこの発明の熱電発電装置が適用されてもよい。
実施の形態1.
まず、熱電変換モジュールを用いた熱電発電装置において、熱源流体が流通する配管から得られた熱量で、より多く発電するための条件について検討する。
熱電発電装置の発電量Wは、熱電変換モジュールを通過する熱量Q1と、熱電変換モジュールの発電特性η(ΔT_m)とに比例し、熱量Q1が大きいほど発電量Wが大きくなる関係があり、次式(1)が成り立つ。
W∝Q1、η(ΔT_m) ・・・(1)
W:発電量
Q1:熱電変換モジュールを通過する熱量
η(ΔT_m):熱電変換モジュールの発電特性
また、発電特性η(ΔT_m)は、熱電変換モジュールの温度差、すなわち熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差ΔT_mの関数であり、温度差ΔT_mが大きいほど発電特性η(ΔT_m)が大きくなる関係があり、次式(2)が成り立つ。
η(ΔT_m)∝ΔT_m ・・・(2)
ΔT_m:熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差
式(1)、式(2)より、発電量Wを大きくするためには、Q1およびΔT_mを大きくすることが考えられる。ここで、Q1とΔT_mと熱電変換モジュールの熱抵抗Rth_mとの間には、次式(3)の関係が成り立つ。
Q1=ΔT_m/Rth_m ・・・(3)
Rth_m:熱電変換モジュールの熱抵抗
また、熱源温度と冷却側との温度差ΔTと、発電に寄与する合成熱抵抗Rth_1との間にも、Q1について次式(4)の関係が成り立つ。
Q1=ΔT/Rth_1 ・・・(4)
ΔT:熱源温度と冷却側との温度差
Rth_1:発電に寄与する合成熱抵抗
式(3)より、Q1を大きくするためには、ΔT_mを大きくするか、またはRth_mを小さくすることが考えられる。このとき、熱電変換モジュールの発電特性η(ΔT_m)は、高くなる効果が大きいため、ΔT_mを極力大きくする。また、式(3)より、ΔT_mには、次式(5)の関係が成り立つことがわかる。
ΔT_m=Q1×Rth_m ・・・(5)
なお、式(5)において、Rth_mを大きくすることにより、Q1が小さくなることも考えられるため、Rth_mは一定とする。また、式(3)、式(4)より、Rth_mとRth_1との間に、ΔT_mについて次式(6)の関係が成り立つ。
ΔT_m=ΔT×Rth_m/Rth_1 ・・・(6)
式(6)より、ΔT_mを高くするには、Rth_1に対するRth_mの比率を高くすればよい。すなわち、Rth_1からRth_mを減じた値は小さいほうがよい。そこで、次式(7)で表されるように、Rth_1からRth_mを減じた値を、Rth_mに対して、20分の1以下に抑えることを目標とする。
Rth_1−Rth_m<Rth_m×1/20 ・・・(7)
また、熱電発電装置が熱源から得た熱量Q0と、熱電変換モジュールを通過する熱量Q1と、熱電変換モジュールを通過しない熱量Q2との間には、次式(8)の近似式が成り立つ。
Q0=Q1+Q2 ・・・(8)
Q0:熱電発電装置が熱源から得た熱量
Q1:熱電変換モジュールを通過する熱量(発電に寄与する熱量)
Q2:熱電変換モジュールを通過しない熱量(発電に寄与しない熱量)
また、Q1とΔTと熱電発電装置の合成熱抵抗Rth_0との間には、次式(9)の関係が成り立つ。
Q0=ΔT/Rth_0 ・・・(9)
Rth_0:熱電発電装置の合成熱抵抗
また、Q2とΔTと発電に寄与しない合成熱抵抗Rth_2との間には、次式(10)の関係式が成り立つ。
Q2=ΔT/Rth_2 ・・・(10)
式(8)より、熱電発電装置が熱源から得た熱量Q0に基づいて、より多くの発電量Wを得るためには、熱電変換モジュールを通過する熱量Q1が、熱電変換モジュールを通過しない熱量Q2よりも高い割合を占める必要がある。ここで、Q0に占めるQ1の割合は、次式(11)で表される。
Q1/Q0=Q1/(Q1+Q2)=1−Q2/(Q1+Q2)
=1/Rth_1×1/(1/Rth_1+1/Rth_2)
=1/Rth_1×
{Rth_1×Rth_2/(Rth_1+Rth_2)}
=Rth_2/(Rth_1+Rth_2)
=1−Rth_1/(Rth_1+Rth_2)
=1−1/(1+Rth_2/Rth_1) ・・・(11)
Rth_1=発電に寄与する合成熱抵抗
Rth_2=発電に寄与しない合成熱抵抗
式(11)より、発電に寄与する合成熱抵抗Rth_1を極力小さくし、発電に寄与しない合成熱抵抗Rth_2を極力大きくすることで、熱電変換モジュールを通過する熱量Q1の割合を高くして、熱電変換モジュールの温度差を大きくすることができる。
そこで、この発明の実施の形態1では、熱源流体が流通する配管から得られた熱量を、熱電変換モジュールから集中して放熱することにより、発電効率を向上させることができる熱電発電装置について説明する。
図1は、この発明の実施の形態1に係る熱電発電装置を示す斜視図である。また、図2は、この発明の実施の形態1に係る熱電発電装置を示す側面図である。図1、図2において、熱電発電装置100は、熱源流体が流通する配管1を取り囲んで設けられている。
熱電発電装置100は、配管1を囲むように取り付けられ、2分割以上の割り型構造を有する容器10と、容器10の配管1とは反対側の面に設置された熱電変換モジュール20と、容器10内に充填されて配管1に接し、配管1を流通する熱源流体からの熱を熱電変換モジュール20に伝達する熱伝達媒体30と、配管1の、熱電変換モジュール20に対応する部分とは異なる部分を囲むように設けられ、容器10よりも熱伝導率の低い低熱伝導性部材40と、から構成されている。
なお、容器10は、アルミニウム、銅、鉄およびステンレスの少なくとも1つで形成され、熱伝達媒体30は、水、油、シリコンおよびカーボン粒子の少なくとも1つで構成されている。
次に、図3、図4を参照しながら、この発明の実施の形態1に係る熱電発電装置の取り付け方法について説明する。まず、図3において、2分割された中間容器11が、配管1を囲むように取り付けられる。ここで、中間容器11の分割部では、シール材を介して上側の中間容器11と下側の中間容器11とが接続されている。
また、中間容器11の配管1とは反対側の面には、熱電変換モジュール20が設置されている。熱電変換モジュール20は、中間容器11の表面に炭素粒子が混入された高熱伝導性シート等を介して設置され、熱電変換モジュール20の配管1とは反対側の面には、炭素粒子が混入された高熱伝導性シート等を介して、放熱フィンが取り付けられている。
続いて、図4において、中間容器11の軸方向両端が、2分割された端部固定容器12により固定される。ここで、端部固定容器12の分割部では、シール材を介して上側の端部固定容器12と下側の端部固定容器12とが接続されている。また、端部固定容器12と中間容器11との接触部、および端部固定容器12と配管1との接触部にも、シール材が設けられている。また、中間容器11および端部固定容器12によって、容器10が構成されている。
また、容器10には、熱伝達媒体30を充填するための注入穴が、熱伝達媒体30を充填する方向に合わせて2つ設けられている。また、熱伝達媒体30は、容器10内一杯に注入され、温度変化による熱伝達媒体30の膨張および収縮を吸収するために、注入穴に図5(a)、(b)で示されるような蛇腹状の調整機構が設けられてもよい。なお、熱伝達媒体30の充填に使用しない方の注入穴は、ふたをしてもよい。
また、容器10の外側には、容器10よりも熱伝導率の低い低熱伝導性部材40が設けられている。図6(a)〜(c)は、この発明の実施の形態1に係る熱電発電装置の低熱伝導性部材を示す構成図であり、(a)は上面の低熱伝導性部材40を示し、(b)は側面の低熱伝導性部材40を示し、(c)は軸方向の低熱伝導性部材40を示している。
図6(a)〜(c)において、低熱伝導性部材40は、熱電変換モジュール20に対応する部分(熱電変換モジュールが設置される領域)および注入穴に対応する部分以外の部分が、容器10を囲むように構成されている。これにより、低熱伝導性部材40が設けられていない部分を介し、熱源流体から得られた熱量が熱電変換モジュールから集中して放熱される構造を持ち、熱量を効率良く熱電変換モジュールに伝えることができる。なお、低熱伝導性部材40は、ガラスウールや発泡スチロールで構成され、シール等により容器10に貼り付けられる。また、低熱伝導性部材40は、テープ状のガラスウールや発泡スチロールが容器10の外周に巻き付けられる構成であってもよい。
次に、図7、図8を参照しながら、この発明の実施の形態1に係る熱電発電装置100の特性について説明する。図7は、この発明の実施の形態1に係る熱電発電装置の熱抵抗回路を示す回路図である。また、図8は、この発明の実施の形態1に係る熱電発電装置の特性を示す表である。
なお、図7の熱抵抗回路中、1と付されているものは、熱電変換モジュール20を通過する方向を指し、2と付されているものは、熱電変換モジュール20を通過しない方向を指し、12と付されているものは、1方向から2方向に回り込むものを指している。また、図8では、熱電変換モジュールの熱抵抗を1としたときの、各部の熱抵抗を比率で示している。
図7において、容器10の外側に低熱伝導性部材40を設けることは、図7の熱抵抗回路中、Rth_case2_airを大きくすることに相当する。また、図8では、Rth_case2_airを変化せたときに、発電に寄与する熱量の比率、熱電変換モジュールを通る熱流量、および熱電変換モジュールの温度差を計算により求めている。
図8(特に、太線枠内参照)より、Rth_case2_airをRth_mの約100倍以上に大きくすることで、熱電発電装置が熱源から得た熱量Q0に占める熱電変換モジュールを通過する熱量Q1の割合Q1/Q0が+16.4%向上し、熱電変換モジュールの温度差が+0.4K増加する。
これにより、既設配管に後から取り付けが可能で、熱源流体から得られた熱量が熱電変換モジュールから集中して放熱される構造を持ち、熱量を効率良く熱電変換モジュールに伝えることで、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差が大きくなり、発電効率が向上する熱電発電装置を得ることができる。
以上のように、実施の形態1によれば、熱電発電装置は、熱源流体が流通する配管を囲むように取り付けられ、2分割以上の割り型構造を有する容器と、容器の配管とは反対側の面に設置された熱電変換モジュールと、容器内に充填されて配管に接し、配管を流通する熱源流体からの熱を、容器を介して熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、容器の熱電変換モジュールが設置される領域を除いた面に設けられ、容器の熱電変換モジュールが設置される領域を構成する部材の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導性部材と、を備えたものである。また、低熱伝導性部材は、容器の外側に取り付けられている。
そのため、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差を大きくして、発電効率を向上させることができる。
なお、上記実施の形態1では、ガラスウールや発泡スチロールで構成された低熱伝導性部材40を、容器10を囲むように貼り付けると説明した。しかしながら、これに限定されず、図9で示されるように、例えば容器10の分割部とは異なる位置で2分割される、樹脂等で構成された低熱伝導性部材40で、容器10を囲むように固定してもよい。
このとき、低熱伝導性部材40同士は、爪形状を契合させて結合されてもよい。また、温度変化による熱伝達媒体30の膨張および収縮を吸収するために、低熱伝導性部材40と容器10との間に、シリコンシートやスプリング等の伸縮素材を設けてもよい。
実施の形態2.
上記実施の形態1では、容器10の外側に低熱伝導性部材40を設ける構成について説明したが、低熱伝導性部材40は、容器10の内側に設けられてもよい。
図10は、この発明の実施の形態2に係る熱電発電装置を示す軸方向断面図である。図10において、容器10の内側には、容器10よりも熱伝導率の低い低熱伝導性部材40が設けられている。ここで、低熱伝導性部材40は、容器10の内側の、熱電変換モジュール20に対応する部分(熱電変換モジュールが設置される領域)以外の部分に設けられている。
なお、低熱伝導性部材40は、エポキシ系やFRP系の樹脂で構成され、容器10の分割部と同じ位置で分割されて、シール等により容器10に貼り付けられる。また、低熱伝導性部材40は、容器10の内側に吹き付けられてもよい。
次に、上述した図7とともに、図11を参照しながら、この発明の実施の形態2に係る熱電発電装置100の特性について説明する。図11は、この発明の実施の形態2に係る熱電発電装置の特性を示す表である。
図7において、容器10の内側に低熱伝導性部材40を設けることは、図7の熱抵抗回路中、Rth_g2を大きくすることに相当する。また、図11は、Rth_g2を変化せたときに、発電に寄与する熱量の比率、熱電変換モジュールを通る熱流量、および熱電変換モジュールの温度差を計算により求めている。
図11(特に、太線枠内参照)より、Rth_case12が大きいケースを用いることによって、Rth_g2およびRth_case12をRth_mの約100倍以上に大きくすることで、熱電変換モジュールの温度差が変化せず、熱電発電装置が熱源から得た熱量Q0に占める熱電変換モジュールを通過する熱量Q1の割合Q1/Q0が+16.0%向上している。すなわち、これは、軽量化で容器10を薄くし、この熱抵抗値が熱電変換モジュールの熱抵抗の10倍程度ある場合に有効である。
以上のように、実施の形態2によれば、熱電発電装置は、熱源流体が流通する配管を囲むように取り付けられ、2分割以上の割り型構造を有する容器と、容器の配管とは反対側の面に設置された熱電変換モジュールと、容器内に充填されて配管に接し、配管を流通する熱源流体からの熱を、容器を介して熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、容器の熱電変換モジュールが設置される領域を除いた面に設けられ、容器の熱電変換モジュールが設置される領域を構成する部材の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導性部材と、を備えたものである。また、低熱伝導性部材は、容器の内側に取り付けられている。
そのため、熱電変換モジュールの温度差を変化させることなく、熱電変換モジュールを通過する熱量の比率を大きくすることができるので、同条件の熱源から得られる発電量を増加させることができ、発電効率を向上させることができる。
実施の形態3.
上記実施の形態1では、容器10の外側に低熱伝導性部材40を設ける構成について説明したが、低熱伝導性部材40は、容器10の一部を構成してもよい。
図12は、この発明の実施の形態3に係る熱電発電装置を示す軸方向断面図である。図12において、図1等に示した容器10の側面、すなわち熱電変換モジュールが設置される領域の面と直行する面が、容器10よりも熱伝導率の低い低熱伝導性部材40に置き換わっている。
なお、低熱伝導性部材40は、エポキシ系やFRP系の樹脂で構成され、ネジ固定により容器10と一体化されてもよいし、容器10と一体成形されてもよい。また、図13で示されるように、樹脂で構成された低熱伝導性部材40の枠に熱電変換モジュール20がはめ込まれ、その後、この枠が配管1を取り囲むように巻き付けられてもよい。
また、低熱伝導性部材40をネジ固定により容器10と一体化する方法としては、図14(a)で示されるように、樹脂製のボルトおよびナットを用いて低熱伝導性部材40と容器10とを固定するものや、図14(b)で示されるように、低熱伝導性部材40を貫通しない長さのネジを用いて低熱伝導性部材40と容器10とを固定するものがある。これにより、ネジ部分から熱が逃げることを防止することができる。
次に、上述した図7とともに、図15を参照しながら、この発明の実施の形態3に係る熱電発電装置100の特性について説明する。図15は、この発明の実施の形態3に係る熱電発電装置の特性を示す表である。
図7において、容器10の一部を低熱伝導性部材40で構成することは、図7の熱抵抗回路中、Rth_case2を大きくすることに相当する。また、図15は、Rth_case2を変化せたときに、発電に寄与する熱量の比率、熱電変換モジュールを通る熱流量、および熱電変換モジュールの温度差を計算により求めている。
図15(特に、太線枠内参照)より、Rth_case2をRth_mの約100倍以上に大きくすることで、熱電変換モジュールの温度差が変化せず、熱電発電装置が熱源から得た熱量Q0に占める熱電変換モジュールを通過する熱量Q1の割合Q1/Q0が+16.8%向上している。
以上のように、実施の形態3によれば、熱電発電装置は、熱源流体が流通する配管を囲むように取り付けられ、2分割以上の割り型構造を有する容器と、容器の配管とは反対側の面に設置された熱電変換モジュールと、容器内に充填されて配管に接し、配管を流通する熱源流体からの熱を、容器を介して熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、容器の熱電変換モジュールが設置される領域を除いた面に設けられ、容器の熱電変換モジュールが設置される領域を構成する部材の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導性部材と、を備えたものである。また、低熱伝導性部材は、容器の一部を構成している。
そのため、熱電変換モジュールの温度差を変化させることなく、熱電変換モジュールを通過する熱量の比率を大きくすることができるので、同条件の熱源から得られる発電量を増加させることができ、発電効率を向上させることができる。
なお、上記実施の形態1〜3では、容器10の形状が断面四角形状であるものを例に挙げたが、これに限定されず、断面六角形、断面八角形等の多面体や、円筒の一部に平面を有する構造等、熱電変換モジュール20が取り付けられる平面を有するものであれば、種々の形状が考えられる。
ここで、この発明の実施の形態1〜3に係る熱電発電装置に適用される各材料の仕様を図16に例示する。図16において、図7の熱抵抗回路に示した各熱抵抗について、材料および各材料の仕様が示されている。また、図16において、実施の形態1〜3に対応する各熱抵抗は、低熱伝導性部材40の熱抵抗を示している。
実施の形態4.
図17は、この発明の実施の形態4に係る熱電発電装置を示す側面図である。また、図18(a)、(b)は、この発明の実施の形態4に係る熱電発電装置を示す軸方向断面図である。また、図19は、この発明の実施の形態4に係る熱電発電装置の熱電変換ユニットの取り付け前の状態を示す説明図である。
なお、図18(a)は、熱電発電装置100の軸方向端部の断面図であり、図18(b)は、熱電発電装置100の軸方向中間部の断面図である。また、図17、図18、図19において、熱電発電装置100は、熱源流体が流通する配管1を取り囲んで設けられている。
熱電発電装置100は、配管1からの熱を伝達する熱伝導部材50、および熱伝導部材50の配管1とは反対側の面に、炭素粒子が混入された高熱伝導性シート等を介して設置された熱電変換モジュール20からなる熱電変換ユニット60と、同一の熱電変換ユニット60同士を接続する接続部材70と、を備えている。なお、熱伝導部材50は、アルミニウム、銅、鉄およびステンレスの少なくとも1つで形成されている。
また、熱電発電装置100において、複数の熱電変換ユニット60と接続部材70とが配管を囲んでおり、熱電変換ユニット60および接続部材70と配管1との間に、配管1を流通する熱源流体からの熱を熱電変換モジュール20に伝達する熱伝達媒体30が充填され、熱電変換ユニット60の数は、配管1を囲む最少数となっている。
ここで、上述した特許文献1では、配管の大きさに合わせて熱電変換ユニットを準備する必要があり、配管の大きさに合わせて、熱電変換モジュールおよび熱電変換ユニットを選定、準備することになるので、不経済であった。これに対して、この発明の実施の形態4に係る熱電発電装置100では、同一の熱電変換ユニット60を複数個用いて、配管1の外形に適した多角形の形状を構成して固定することができる。
図20は、この発明の実施の形態4に係る熱電発電装置の効果を示す表である。図20において、熱電変換ユニット60の数を、配管1を囲む最少数とすることで、配管1と熱電変換モジュール20との距離が最小となり、熱伝達媒体30での熱抵抗の増加を抑えて熱量を効率よく熱電変換モジュールに伝えられることが分かる。
また、熱電変換ユニット60の接続数を変更することで、大きさが異なる配管1に対しても、同一の熱電変換ユニット60で取り付けができるので、経済的な熱電変換ユニットを得ることができる。
以上のように、実施の形態4によれば、熱電発電装置は、熱源流体が流通する配管からの熱を伝達する熱伝導部材、および熱伝導部材の配管とは反対側の面に設置された熱電変換モジュールを有する少なくとも3個以上の熱電変換ユニットと、これら3個以上の熱電変換ユニットを配管の周囲に巻回し接続配置する接続部材と、配管の周囲に配置された熱電変換ユニットと配管との間に充填され、配管を流通する熱源流体からの熱を熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、を備えたものである。
そのため、配管の外径や大きさ(径)に応じて柔軟に熱電変換装置を組み立てることができるので、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差を大きくして、発電効率を向上させることができる。
なお、熱電変換ユニット60の接続方法は、上述したものに限定されず、図21、図22に示されるように、同じ角度の傾斜板同士をピンで接続する方法、図23、図24に示されるように、爪同士を固定具で接続する方法、または図25、図26に示されるように、時計のバンドのような構造で接続する方法等がある。
また、上記実施の形態1〜3と実施の形態4とを組み合わせることができる。すなわち、図17〜19に示した熱電発電装置100において、熱電変換モジュール20に対応する部分とは異なる部分を囲むように低熱伝導性部材を設けてもよい。この場合には、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差をさらに大きくして、より発電効率を向上させることができる。
実施の形態5.
図27は、この発明の実施の形態5に係る熱電発電装置を示す斜視図である。また、図28は、この発明の実施の形態5に係る熱電発電装置を軸方向から見た図である。図27、図28において、熱電発電装置100は、熱源流体が流通する配管1を取り囲んで設けられている。
図29は、この発明の実施の形態5に係る熱電発電装置の要部(図28のA部)を拡大して示す図である。図29において、熱電発電装置100は、配管1からの熱を伝達する熱伝導部材50、および熱伝導部材50の配管1とは反対側の面に、炭素粒子が混入された高熱伝導性シート等を介して設置された熱電変換モジュール20からなる熱電変換ユニット60と、熱電変換モジュール20の配管1とは反対側の面に設けられた放熱フィン80に取り付けられて、同一の熱電変換ユニット60同士を接続する接続部材であるヒンジ部90と、を備えている。なお、熱伝導部材50は、アルミニウム、銅、鉄およびステンレスの少なくとも1つで形成されている。
また、熱電発電装置100において、複数の熱電変換ユニット60とヒンジ部90とが配管を囲んでいる。また、熱電変換ユニット60の数は、配管1を囲む最少数となっており、ヒンジ部90の端部同士は、図27、図28に示されるように、締め付けボルトにより締結されている。なお、熱電変換ユニット60の数は、最少数に限定されず、締め付けボルトの長さを変えることで、取り付け数が変わっても調整することができる。
次に、図30、図31を参照しながら、この発明の実施の形態5に係る熱電発電装置の熱電変換ユニット60周辺の構造について説明する。図30は、この発明の実施の形態5に係る熱電発電装置における1つの熱電変換ユニットを抜粋して示す斜視図である。また、図31は、この発明の実施の形態5に係る熱電発電装置における1つの熱電変換ユニットを抜粋して示す側面図である。
図30、図31において、熱電変換モジュール20の配管1とは反対側の面には、炭素粒子が混入された高熱伝導性シート等を介して、放熱フィン80が取り付けられている。また、放熱フィン80には、同一の熱電変換ユニット60同士を接続する接続部材であるヒンジ部90が取り付けられている。
ここで、ヒンジ部90は、図30、図31に示されるように、3本のネジで放熱フィン80に取り付けられている。具体的には、外側の2本のネジは、放熱フィン80に勘合し、ヒンジ部90の回転および抜けを防止し、中央の1本のネジは、ヒンジ部90に勘合して放熱フィン80とヒンジ部90との距離を調整するものである。
上述した特許文献1では、配管の大きさに合わせて熱電変換ユニットを準備する必要があり、配管の大きさに合わせて、熱電変換モジュールおよび熱電変換ユニットを選定、準備することになるので、不経済であった。これに対して、この発明の実施の形態5に係る熱電発電装置100では、同一の熱電変換ユニット60を複数個用いて、配管1の外形に適した多角形の形状を構成して固定することができる。
以上のように、実施の形態5によれば、熱電発電装置は、熱源流体が流通する配管からの熱を伝達する熱伝導部材、および熱伝導部材の配管とは反対側の面に設置された熱電変換モジュールを有する少なくとも3個以上の熱電変換ユニットと、これら3個以上の熱電変換ユニットを配管の周囲に巻回し接続配置する接続部材と、を備えたものである。
そのため、配管の外径や大きさ(径)に応じて柔軟に熱電変換装置を組み立てることができるので、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差を大きくして、発電効率を向上させることができる。
1 配管、10 容器、11 中間容器、12 端部固定容器、20 熱電変換モジュール、30 熱伝達媒体、40 低熱伝導性部材、50 熱伝導部材、60 熱電変換ユニット、70 接続部材、80 放熱フィン、90 ヒンジ部(接続部材)、100 熱電発電装置。

Claims (2)

  1. 熱電変換モジュールと、
    2分割以上の割り型構造を有して熱源流体が流通する配管の周囲を囲んで取り付けられる熱伝導部材からなる容器と、
    前記容器の一部を成し、その外側の面に熱電変換モジュールが設置されるモジュール設置部と、
    前記容器内に充填されて前記容器のモジュール設置部の内側面及び前記配管に接し、前記配管を流通する熱源流体からの熱を、前記容器の前記モジュール設置部を介して熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、
    前記容器の内側面に前記モジュール設置部の内側面を除い設けられ、前記熱伝達媒体と前記容器との間に介在する、前記熱伝達媒体の熱伝導率及び前記容器の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導性部材と、
    を備え熱電発電装置。
  2. 前記容器は、アルミニウム、銅、鉄およびステンレスの少なくとも1つの熱伝導部材からな
    請求項1に記載の熱電発電装置。
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