JP6685880B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、温度差により発電する熱電素子を備える熱電発電装置に関する。

従来、この種の熱電発電装置としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。特許文献１には、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、熱媒流路を流れる熱媒体と冷媒流路を流れる冷媒体との温度差によって発電する熱電発電装置が開示されている。

特開２０１５−０１２１７３号公報

しかしながら、特許文献１の熱電発電装置では、発電量を向上させるという観点において未だ改善の余地がある。

本発明は、前記課題を解決するもので、発電量を向上させることができる熱電発電装置を提供する。

本発明の一態様に係る熱電発電装置は、熱媒体が流れる熱媒流路を備える加熱部と、
冷却液が流れる冷却液流路を備える冷却部と、
一方の面に前記加熱部が設けられるとともに、他方の面に前記冷却部が設けられ、前記熱媒流路内で潜熱変化する前記熱媒体の凝縮温度と前記冷却液の温度との温度差によって発電する熱電素子と、
を備える熱電発電装置であって、
前記熱媒体の圧力又は温度を調整する熱媒調整部を更に備える。

以上のように、本発明の一態様に係る熱電発電装置によれば、発電量を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置を背面から見た場合の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の加熱部の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の冷却部の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置を用いた熱電発電システムの電気系統の概略図である。 本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置を用いた熱電発電システムの熱媒体系統の概略図である。 本発明の実施の形態２に係る熱電発電装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る熱電発電装置を背面から見た場合の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る熱電発電装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る熱電発電装置の概略構成を示す図である。

（本発明の基礎となった知見）
本発明者らは、発電量を向上させるために鋭意検討した結果、以下の知見を得た。

特許文献１のような従来の熱電発電装置においては、熱媒体として高温の液体又は気体を熱媒流路に流すように構成されている。この構成では、熱媒流路を流れる熱媒体は、相が同一であるため、顕熱変化する。即ち、熱媒体は、熱媒流路を流れる過程で温度変化する。

これに対して、本発明者らは、熱媒体が熱媒流路を流れる過程において、熱媒体を相変化（例えば、気体から液体に変化）させることで、熱媒体の温度を一定にすることができ、発電量を向上させることができることを見出した。即ち、本発明者らは、熱媒体が潜熱変化するとき、熱媒体の凝縮温度が一定であるので、これを利用することで、発電量を向上させることができることを見出した。

また、本発明者らは、熱媒流路内で潜熱変化する熱媒体を利用する場合、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であることを新規に知見した。例えば、熱媒体の圧力が過剰に増加すると、熱電発電装置内に歪みが発生し、熱媒流路や熱電素子が損傷する。一方、熱媒体の圧力が過剰に低下すると、熱媒体の飽和温度が低下し、熱電素子の両面の温度差を十分に確保することができない。その結果、発電量が低下することになる。さらに、本発明者らは、熱媒体の圧力は熱媒体の温度に対して比例関係にあるので、熱媒体の温度を制御することにより、実質的に熱媒体の圧力を制御することができることを知見した。これらの知見に基づき、本発明者らは、以下の発明に至った。

本発明の一態様に係る熱電発電装置は、熱媒体が流れる熱媒流路を備える加熱部と、
冷却液が流れる冷却液流路を備える冷却部と、
一方の面に前記加熱部が設けられるとともに、他方の面に前記冷却部が設けられ、前記熱媒流路内で潜熱変化する前記熱媒体の凝縮温度と前記冷却液の温度との温度差によって発電する熱電素子と、
を備える熱電発電装置であって、
前記熱媒体の圧力又は温度を調整する熱媒調整部を更に備える。

この構成によれば、熱媒流路内で潜熱変化する熱媒体の圧力又は温度を調整する熱媒調整部を備えているので、例えば、熱媒体の圧力の過剰増加を抑えて、熱媒流路や熱電素子が損傷することを抑えることができる。また、例えば、熱媒体の圧力の過剰低下を抑えて、熱媒体の凝縮圧力を維持し、熱電素子の両面の温度差を十分に確保することができる。その結果、発電量を向上させることができる。

なお、前記熱媒調整部は、前記熱媒流路内の圧力又は温度が予め決められた上限値を超えないように前記圧力又は温度を調整するよう構成されてもよい。

例えば、前記熱媒調整部は、
前記熱媒体を貯留する熱媒貯留タンクと、
前記熱媒流路と前記熱媒貯留タンクとを接続する熱媒配管と、
前記熱媒配管を開閉する弁体と、
前記熱媒体の圧力を検知する圧力検知部又は前記熱媒体の温度を検知する温度検知部と、を備え、
前記圧力検知部の検知圧力又は前記温度検知部の検知温度が予め決められた上限値を超えないように、前記弁体を開放して、前記熱媒流路内の熱媒体の一部を前記熱媒貯留タンク内に流出させるよう構成されてもよい。

また、前記熱媒調整部は、前記熱媒体に対して熱交換を行う熱交換器を備え、
前記熱交換器は、前記熱媒流路内の圧力又は温度が予め決められた上限値を超えたとき、前記熱媒体の圧力又は温度を下げるように前記熱媒体に対して熱交換を行うよう構成されてもよい。

また、前記熱媒調整部は、前記加熱部を通る冷却管を備え、前記熱媒流路内の圧力又は温度が予め決められた上限値を超えたとき、前記冷却管内に冷媒体を流すことによって前記熱媒流路内の圧力又は温度を下げるよう構成されてもよい。

また、前記熱媒調整部は、
前記冷却液流路に前記冷却液を流入させる冷却液流入管から分岐された分岐管と、
前記分岐管を開閉する弁体と、
前記熱媒体の圧力を検知する圧力検知部又は前記熱媒体の温度を検知する温度検知部と、を備え、
前記圧力検知部の検知圧力又は前記温度検知部の検知温度が予め決められた上限値を超えたとき、前記弁体を開放して、前記分岐管を通じて前記冷却液の一部を前記冷媒体として前記冷却管内に流すよう構成されてもよい。

これらの構成によれば、熱媒体の圧力の過剰増加を抑えて、熱媒流路や熱電素子が損傷することを抑えることができる。その結果、発電量を向上させることができる。

また、前記熱媒調整部は、前記熱媒流路内の圧力又は温度が予め決められた下限値を下回らないように前記圧力又は温度を調整するよう構成されてもよい。

例えば、前記熱媒調整部は、
前記熱媒体を貯留する熱媒貯留タンクと、
前記熱媒流路と前記熱媒貯留タンクとを接続する熱媒配管と、
前記熱媒体の圧力を検知する圧力検知部又は前記熱媒体の温度を検知する温度検知部と、を備え、
前記圧力検知部の検知圧力又は前記温度検知部の検知温度が予め決められた下限値を下回らないように、前記熱媒配管を通じて前記熱媒貯留タンク内の熱媒体を前記熱媒流路に流入させるよう構成されてもよい。

また、前記熱媒調整部は、前記熱媒貯留タンク内の熱媒体を前記熱媒流路に圧送するポンプを備えてもよい。

また、前記熱媒調整部は、
前記熱媒体を貯留する熱媒貯留タンクと、
前記熱媒流路と前記熱媒貯留タンクとを接続する熱媒配管と、
前記熱媒配管を開閉する弁体と、
前記熱媒体の圧力を検知する圧力検知部又は前記熱媒体の温度を検知する温度検知部と、を備え、
前記圧力検知部の検知圧力又は前記温度検知部の検知温度が予め決められた下限値を下回らないように、前記弁体を開放して、前記熱媒配管を通じて前記熱媒貯留タンク内の熱媒体を前記熱媒流路に流入させるよう構成されてもよい。

また、前記熱媒調整部は、前記熱媒貯留タンクに貯留された熱媒体を加熱する加熱器を備え、
前記加熱器は、前記熱媒貯留タンクに貯留された熱媒体の圧力又は温度が前記熱媒流路内の圧力又は温度よりも高くなるように前記熱媒体を加熱するよう構成されてもよい。

これらの構成によれば、熱媒体の圧力の過剰低下を抑えて、熱媒体の凝縮圧力を維持し、熱電素子の両面の温度差を十分に確保することができる。その結果、発電量を向上させることができる。

以下、実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。また、各図においては、説明を容易なものとするため、各要素を誇張して示している。

（実施の形態１）
［全体構成］
実施の形態１に係る熱電発電装置の全体構成について説明する。

図１Ａは、実施の形態１に係る熱電発電装置１Ａの概略構成を示す。なお、図１Ａ中のＸ、Ｙ、Ｚ方向は、それぞれ熱電発電装置１Ａの縦方向、横方向、高さ方向を示す。縦方向、横方向、高さ方向は、それぞれ熱電発電装置１Ａの長手方向、短手方向、上下方向を意味する。図１Ｂは、熱電発電装置１Ａを背面（Ｘ方向）から見た場合の概略構成を示す。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、熱電発電装置１Ａは、一方の面に加熱部３が設けられるとともに、他方の面に冷却部４が設けられる熱電素子２を備えている。実施の形態１において、熱電素子２は、加熱部３の両面に設けられており、それぞれの熱電素子２を介して加熱部３の両面に、冷却部４がそれぞれ対向して設けられている。実施の形態１では、加熱部３は、高温流体が流れる流路５に配置される伝熱管６に接続されている。また、加熱部３には、熱媒調整部８Ａが接続されている。

＜熱電素子＞
熱電素子２は、加熱部３が設けられる一方の面（高温側）と、冷却部４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２は、加熱部３により一方の面が加熱されるとともに、冷却部４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２の厚さは、熱電素子２の一方の面及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２は、板状に形成されている。実施の形態１では、複数の熱電素子２を直列に接続した熱電モジュール２０ａ，２０ｂが、加熱部３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２を有する熱電モジュール２０ａ，２０ｂが、加熱部３の両面に貼り付けられている。なお、熱電素子２の数は、これに限定されない。例えば、熱電発電装置１Ａは、加熱部３の両面にそれぞれ１つの熱電素子２を貼り付ける構成であってもよい。

＜加熱部＞
加熱部３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３は、熱電素子２の一方の面に接触する板状に形成されている。加熱部３は、伝熱管６と接続されている。加熱部３と伝熱管６とは、それぞれ互いに連通する内部空間７ａ，７ｂを有している。加熱部３の内部空間７ａと伝熱管６の内部空間７ｂには、熱媒体が封入されている。また、加熱部３の内部空間７ａと伝熱管６の内部空間７ｂとは、熱媒体が循環する循環経路７を形成している。

伝熱管６は、流路５に配置されており、流路５を流れる高温流体の熱を利用して、循環経路７の一部である内部空間７ｂを流れる熱媒体を蒸発させる。即ち、伝熱管６は、熱媒体を蒸発させる蒸発部として機能する。加熱部３は、伝熱管６の内部空間７ｂで蒸発した熱媒体を凝縮する。即ち、加熱部３は、熱媒体を凝縮する凝縮部として機能する。実施の形態１では、熱媒体として水を用いている。また、流路５は、高温の排ガスが流れるエンジンの排ガスダクトである。流路５において、高温流体は、図１Ａの紙面方向、即ちＹ方向へ流れる。なお、流路５は、エンジンの排ガスダクト以外に、例えば、産廃炉又はバイオマスボイラー等の高温環境であればよく、対流を必須としない輻射場であってもよい。

図２は、熱電発電装置１Ａの加熱部３及び伝熱管６の概略構成を示す。図２に示すように、伝熱管６は、高温流体が流れる方向、即ちＹ方向から見て、流路５を流れる高温流体との接触面積が大きく取れるように構成されている。具体的には、伝熱管６は、Ｙ方向から見て、Ｘ方向に延在する複数の管状部材６１と、複数の管状部材６１を互いに連結する複数の曲げ部６２とを有する。複数の管状部材６１は、Ｙ方向から見て、Ｚ方向に所定の間隔を有して配列されると共に、端部を曲げ部６２によって連結されている。このように、伝熱管６は、複数の管状部材６１を曲げ部６２で連結することによって、複数の屈曲部を有する連続した配管を構成している。

加熱部３の内部空間７ａには、熱媒体が流れる熱媒流路が形成されている。実施の形態１において、熱媒流路は、熱電素子２と接する加熱面の全体に熱媒体が行き渡るように形成されている。具体的には、図２に示すように、加熱部３の内部空間７ａには、Ｚ方向に延在する複数の熱媒流路が形成されている。なお、加熱部３の内部空間７ａの熱媒流路は、熱媒体が重力方向に流れればよく、例えば、Ｘ方向などへ傾斜していてもよい。

＜循環経路＞
循環経路７は、加熱部３の内部空間７ａと伝熱管６の内部空間７ｂとを連通して形成されている。熱媒体は、加熱部３の内部空間７ａと伝熱管６の内部空間７ｂとを循環する。具体的には、伝熱管６が流路５を流れる高温流体によって加熱されると、伝熱管６内を流れる熱媒体が液体から蒸気になる。即ち、伝熱管６の内部空間７ｂにおいて、熱媒体が蒸発し、液体から気体へと相変化する。蒸気は、伝熱管６の高い側の位置にある開口端部６３から加熱部３の内部空間７ａの熱媒流路へ排出される。加熱部３の内部空間７ａの熱媒流路に排出された蒸気は、加熱部３の加熱面に注がれながら重力方向へ落下し、当該加熱面から放熱して熱電素子２を加熱することによって凝縮される。即ち、加熱部３の内部空間７ａにおいて、熱媒体は、気体から液体へと相変化する。即ち、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６の低い側にある開口端部６４から伝熱管６の内部空間７ｂの熱媒流路へ流入する。伝熱管６の内部空間７ｂに流入した熱媒体は、再び、流路５を流れる高温流体によって加熱され、液体から蒸気へと相変化する。このように、加熱部３の内部空間７ａと伝熱管６の内部空間７ｂとで形成された循環経路７を熱媒体が自然循環する。言い換えると、加熱部３の内部空間７ａと伝熱管６の内部空間７ｂとで形成される循環経路７においては、ポンプ等の動力を使用せずとも、熱媒体の相変化を利用して、熱媒体を繰り返し循環させている。

＜熱媒調整部＞
熱媒調整部８Ａは、加熱部３の内部空間７ａの熱媒流路を流れる熱媒体の圧力を調整するように構成されている。実施の形態２において、熱媒調整部８Ａは、熱媒流路内の圧力が予め決められた上限値を超えないように圧力を調整するよう構成されている。具体的には、熱媒調整部８Ａは、熱媒体を貯留する熱媒貯留タンク８１Ａと、熱媒流路と熱媒貯留タンク８１Ａとを接続する熱媒配管８２Ａと、熱媒配管８２Ａを開閉する弁体８３Ａと、熱媒体の圧力を検知する圧力検知部８４Ａとを備えている。弁体８３Ａは、例えば、電気で駆動する電動弁や電磁弁などの自動弁である。圧力検知部８４Ａは、例えば、圧力センサである。

熱媒調整部８Ａは、圧力検知部８４Ａの検知圧力が予め決められた上限値を超えないように、弁体８３Ａを開放して、熱媒配管８２Ａを通じて熱媒流路内の熱媒体の一部を熱媒貯留タンク８１Ａ内に流出させる。これにより、熱媒流路内の熱媒体の流量を低減することができ、熱媒流路内の圧力を下げることができる。なお、熱媒調整部８Ａの動作は、図示しない制御部により制御される。

なお、前述したように、熱媒体の圧力は熱媒体の温度に対して比例関係にあるので、熱媒体の温度を制御することにより、実質的に熱媒体の圧力を制御することができる。このため、熱媒調整部８Ａは、加熱部３の熱媒流路を流れる熱媒体の温度を調整するように構成されてもよい。具体的には、熱媒調整部８Ａは、圧力検知部８４Ａに代えて、熱媒体の温度を検知する温度検知部を備えてもよい。この場合、熱媒調整部８Ａは、例えば、当該温度検知部の検知温度が予め決められた上限値を超えないように、弁体８３Ａを開放して、熱媒流路内の熱媒体の一部を熱媒貯留タンク８１Ａ内に流出させるように構成すればよい。

＜冷却部＞
冷却部４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４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４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。

図３は、熱電発電装置１Ａの冷却部４の概略構成を示す。図３に示すように、冷却部４の内部には、熱電素子２と接触する冷却部４の冷却面の全体に冷却液が行き渡るように板状の冷却液流路４０が形成されている。具体的には、冷却液流路４０は、Ｘ方向に延在する複数の流路を有し、これらの流路が互いに接続されている。冷却液流路４０には、低い側にある冷却液流入管４１と、高い側にある冷却液排出管４２とが設けられている。冷却液流入管４１から冷却液流路４０に流入した冷却液は、熱電素子２の他方の面と接触する冷却面を冷却した後、冷却液排出管４２から排出される。なお、実施の形態１では、冷却液流路４０は、熱電素子２と接触する冷却面の全体に冷却液が行き渡るような板状形状に形成されているが、熱電素子２の他方の面を全体的に均一に冷却することができればよく、形状は限定されない。また、冷却部４の内部の冷却液流路４０の複数の流路は、Ｘ方向だけでなくＺ方向に延在していてもよい。実施の形態１では、冷却液として、水を用いている。

＜電気系統＞
図４は、熱電発電装置１Ａを用いた熱電発電システム１０の電気系統の概略図を示す。図４に示すように、熱電発電システム１０は、４つの熱電発電装置１Ａと、インバータ１１と、電気負荷１２とを備えている。熱電発電システム１０において、４つの熱電発電装置１Ａは、並列に接続されている。並列に接続された４つの熱電発電装置１Ａは、インバータ１１に接続されている。インバータ１１は、電気負荷１２に接続されている。熱電発電システム１０において、４つの熱電発電装置１Ａで発電された電力は、インバータ１１を介して電気負荷１２へ供給される。

＜熱媒体系統＞
図５は、熱電発電装置１Ａを用いた熱電発電システム１０の熱媒体系統の概略図を示す。図５において、点線及び一点鎖線は熱媒体のライン、実線は冷却液のラインを示す。まず、熱媒体の流れについて説明する。図５に示すように、熱媒体ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３が熱電発電装置１Ａの加熱部３に接続されている。熱媒体ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３には、それぞれ弁が設けられている。加熱部３の内部において、熱媒体が自然循環している間、熱媒体ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３の弁は閉じている。なお、熱媒体ラインＬ３に設けられている弁は、圧力弁である。

熱媒体ラインＬ１は、熱媒体となる水を充填するラインである。加熱部３の内部に熱媒体を入れたい場合、熱媒体ラインＬ１の弁を開き、タンク１３から熱媒体ラインＬ１を通って加熱部３の内部へ熱媒体を供給する。

熱媒体ラインＬ２は、真空ポンプ１４を用いて真空引きするためのラインである。加熱部３の内部に熱媒体が入っていない状態で、熱媒体ラインＬ２を介して真空ポンプ１４により真空引きを行う。真空引き後、タンク１３内の熱媒体が熱媒体ラインＬ１を通り、加熱部３の内部へ供給される。

熱媒体ラインＬ３は、加熱部３内の熱媒体をタンク１３へ排出するラインである。加熱部３の内部の蒸気圧が熱媒体ラインＬ３の圧力弁の許容値よりも大きくなると、圧力弁が開き、加熱部３の内部の蒸気が熱媒体ラインＬ３へ排出される。加熱部３から排出された熱媒体は、熱媒体ラインＬ３を通り、熱交換器１５を介してタンク１３に排出される。実施の形態１では、熱媒体及び冷却液ともに水を用いているため、冷却液と熱媒体とをタンク１３に貯留することができる。

次に、冷却液の流れについて説明する。図５に示すように、冷却液は、ポンプ等によって、タンク１３から冷却液ラインＬ４を通って冷却部４へ流れる。冷却部４を流れた冷却液は、冷却液ラインＬ５を通って冷却設備１６へ流れる。冷却設備１６は、例えば、冷却液を冷却するクーリングタワーである。冷却設備１６において冷却された冷却液は、タンク１３で貯留される。

［効果］
実施の形態１に係る熱電発電装置１Ａによれば、以下の効果を奏することができる。

熱電発電装置１Ａは、加熱部３の内部空間７ａの熱媒流路内で潜熱変化する熱媒体の凝縮温度と冷却液の温度との温度差によって発電する熱電素子２を備えている。この構成によれば、熱媒体の潜熱変化を利用して、熱媒体の温度が一定になるようにしているので、発電量を向上させることができる。

また、熱電発電装置１Ａは、熱媒体の圧力を調整する熱媒調整部８Ａを備えている。熱媒調整部８Ａは、熱媒流路内の圧力が予め決められた上限値を超えないように圧力を調整するよう構成されている。この構成によれば、熱媒体の圧力の過剰増加を抑えて、熱媒流路や熱電素子２が損傷することを抑えることができる。その結果、発電量を向上させることができる。

なお、熱電発電装置１Ａの熱電モジュール２０ａ、２０ｂの耐熱温度に応じて、熱媒体の温度の「予め決められた上限値」は、当該耐熱温度よりも低い温度、例えば耐熱温度−３０℃に設定すればよい。また、熱媒体の圧力の「予め決められた上限値」は、耐熱圧力応じて設定すればよい。なお、冷却液の温度が約３０度であり、熱媒体の温度が約１５０度、熱媒体の圧力が約１．１ＭＰａである場合、例えば、約２００Ｗ程度の発電量を得ることができる。

なお、実施の形態１では、４つの熱電発電装置１Ａを用いた熱電発電システム１０を説明したが、本発明はこれに限定されない。熱電発電システム１０は、１つ以上の熱電発電装置１Ａを備えていればよい。

また、実施の形態１では、熱媒体及び冷却液として水を用いたが、本発明はこれに限定されない。熱媒体と冷却液とは、異なっていてもよい。熱媒体としては、循環経路７内で気体と液体とに相変化することができるものであればよい。冷却液としては、冷却できる液体であればよい。

また、実施の形態１では、熱電素子２を加熱部３の両方の面に設ける例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、熱電素子２は、加熱部３の一方の面にのみ設けてもよい。

また、実施の形態１では、弁体８３Ａは、電動弁や電磁弁などの自動弁であるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、弁体８３Ａは、一定の圧力を超えると開放する圧力逃がし弁であってもよい。この場合、圧力検知部８４Ａを設ける必要性を無くすことができる。

（実施の形態２）
［全体構成］
本発明の実施の形態２に係る熱電発電装置について説明する。なお、実施の形態２では、主に実施の形態１と異なる点について説明する。実施の形態２においては、実施の形態１と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態２では、実施の形態１と重複する記載は省略する。

図６は、実施の形態２に係る熱電発電装置１Ｂの概略構成を示す。

実施の形態２では、熱媒調整部８Ａに代えて、熱媒調整部８Ｂを備える点が、実施の形態１と異なる。

熱媒調整部８Ｂは、加熱部３の内部空間７ａの熱媒流路内の圧力が予め決められた上限値を超えたとき、熱媒体の圧力を下げるよう構成されている。具体的には、図６に示すように、熱媒調整部８Ｂは、熱媒体に対して熱交換を行う熱交換器８１Ｂと、加熱部３の内部空間７ａと熱交換器８１Ｂとを接続する熱媒配管８２Ｂと、熱媒体の圧力を検知する圧力検知部８３Ｂとを備えている。圧力検知部８３Ｂは、例えば、圧力センサである。

熱交換器８１Ｂは、圧力検知部８３Ｂの検知圧力が予め決められた上限値を超えたとき、熱媒体の圧力を下げるように熱媒体に対して熱交換を行うよう構成されている。例えば、熱交換器８１Ｂは、冷却液が流れる冷却液流路（図示せず）と、当該冷却液流路を開閉する弁体（図示せず）とを備え、熱媒配管８２Ｂに取り付けられている。冷却液を圧力検知部８３Ｂの検知圧力が予め決められた上限値を超えたとき、熱交換器８１Ｂは、弁体を開放して冷却液流路に冷却液を流す。これにより、熱媒配管８２Ｂを流れる熱媒体が冷却され、熱媒体の圧力が下げられる。なお、熱媒調整部８Ｂの動作は、図示しない制御部により制御される。

［効果］
実施の形態２に係る熱電発電装置１Ｂによれば、以下の効果を奏することができる。

熱電発電装置１Ｂによれば、熱交換器８１Ｂにより直接的に熱媒体の圧力を下げることができるので、熱媒体の圧力の過剰増加をより確実に抑えて、熱媒流路や熱電素子２が損傷することを抑えることができる。その結果、発電量を向上させることができる。

なお、前述したように、熱媒体の圧力は熱媒体の温度に対して比例関係にあるので、熱媒調整部８Ｂは、加熱部３の内部空間７ａの熱媒流路内の温度が予め決められた上限値を超えたとき、熱媒体の温度を下げるよう構成されてもよい。具体的には、熱媒調整部８Ｂは、圧力検知部８３Ｂに代えて、熱媒体の温度を検知する温度検知部を備えてもよい。この場合、熱交換器８１Ｂは、例えば、当該温度検知部の検知温度が予め決められた上限値を超えたとき、熱媒体の温度を下げるように熱媒体に対して熱交換を行うよう構成すればよい。

（実施の形態３）
［全体構成］
本発明の実施の形態３に係る熱電発電装置について説明する。なお、実施の形態３では、主に実施の形態１と異なる点について説明する。実施の形態３においては、実施の形態１と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態３では、実施の形態１と重複する記載は省略する。

図７は、実施の形態３に係る熱電発電装置１Ｃを背面（Ｘ方向）から見た場合の概略構成を示す。

実施の形態３では、熱媒調整部８Ａに代えて、熱媒調整部８Ｃを備える点が、実施の形態１と異なる。

熱媒調整部８Ｃは、加熱部３の内部空間７ａの熱媒流路内の圧力が予め決められた上限値を超えたとき、熱媒体の圧力を下げるよう構成されている。具体的には、熱媒調整部８Ｃは、加熱部３を通る冷却管８１Ｃと、冷却液流入管４１（図３参照）から分岐され且つ冷却管８１Ｃに接続する分岐管８２Ｃと、分岐管８２Ｃを開閉する弁体８３Ｃと、熱媒体の圧力を検知する圧力検知部８４Ｃとを備えている。弁体８３Ｃは、例えば、電気で駆動する電動弁や電磁弁などの自動弁である。圧力検知部８４Ａは、例えば、圧力センサである。

熱媒調整部８Ｃは、圧力検知部８４Ｃの検知圧力が予め決められた上限値を超えたとき、弁体８３Ｃを開放して、分岐管８２Ｃを通じて冷却液の一部を冷媒体として冷却管８１Ｃ内に流すことによって、熱媒流路内の圧力を下げるように構成されている。なお、熱媒調整部８Ｃの動作は、図示しない制御部により制御される。

［効果］
実施の形態３に係る熱電発電装置１Ｃによれば、以下の効果を奏することができる。

熱電発電装置１Ｃは、加熱部３を通る冷却管８１Ｃに冷媒体として冷却液の一部を流すことによって熱媒体の圧力を下げるように構成されている。この構成によれば、熱媒体の圧力の過剰増加をより確実に抑えて、熱媒流路や熱電素子２が損傷することを抑えることができる。その結果、発電量を向上させることができる。また、前述した実施の形態２のように、熱交換器８１Ｂを備える必要がない。また、冷却部４の冷却液流路４０に流す冷却液の一部を冷媒体として利用するので、熱媒体の圧力を下げるために冷媒体を別途用意する必要がない。

なお、前述したように、熱媒体の圧力は熱媒体の温度に対して比例関係にあるので、熱媒調整部８Ｃは、加熱部３の内部空間７ａの熱媒流路内の温度が予め決められた上限値を超えたとき、熱媒体の温度を下げるよう構成されてもよい。具体的には、熱媒調整部８Ｃは、圧力検知部８４Ｃに代えて、熱媒体の温度を検知する温度検知部を備えてもよい。この場合、熱交換器８１Ｂは、例えば、当該温度検知部の検知温度が予め決められた上限値を超えたとき、加熱部３を通る冷却管８１Ｃに冷却液の一部を流すことによって熱媒体の温度を下げるように構成すればよい。

なお、冷却管８１Ｃは、加熱部３の内部を蛇行するように、例えば、コイル状に構成されることが好ましい。この構成によれば、加熱部３と冷却管８１Ｃとの接触面積を増加させて、冷却効率を向上させることができる。

（実施の形態４）
［全体構成］
本発明の実施の形態４に係る熱電発電装置について説明する。なお、実施の形態４では、主に実施の形態１と異なる点について説明する。実施の形態４においては、実施の形態１と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態４では、実施の形態１と重複する記載は省略する。

図８は、実施の形態４に係る熱電発電装置１Ｄの概略構成を示す。

実施の形態４では、熱媒調整部８Ａに代えて、熱媒調整部８Ｄを備える点が、実施の形態１と異なる。

熱媒調整部８Ｄは、加熱部３の内部空間７ａの熱媒流路内の圧力が予め決められた下限値を下回らないように熱媒体の圧力を調整するよう構成されている。具体的には、熱媒調整部８Ｄは、熱媒体を貯留する熱媒貯留タンク８１Ｄと、熱媒流路と熱媒貯留タンク８１Ｄとを接続する熱媒配管８２Ｄと、熱媒体の圧力を検知する圧力検知部８３Ｄとを備えている。圧力検知部８３Ｄは、例えば、圧力センサである。

熱媒調整部８Ｄは、圧力検知部８３Ｄの検知圧力が予め決められた下限値を下回らないように、熱媒配管８２Ｄを通じて熱媒貯留タンク８１Ｄ内の熱媒体を熱媒流路に流入させるように構成されている。なお、熱媒流路は接続部分を除いて密閉されている。このため、熱媒貯留タンク８１Ｄ内の熱媒体を熱媒流路に流入させると、熱媒流路を流れる熱媒体の充填量が増加し、熱媒流路の圧力が高くなる。

実施の形態４では、熱媒調整部８Ｄは、更に、熱媒貯留タンク８１Ｄ内の熱媒体を熱媒流路に圧送するポンプ８４Ｄを備えている。このポンプ８４Ｄにより、熱媒貯留タンク８１Ｄ内の熱媒体を熱媒流路に流入させることができる。また、熱媒配管８２Ｄには、熱媒流路から熱媒貯留タンク８１Ｄへの熱媒体の流れを規制する一方、熱媒貯留タンク８１Ｄから熱媒流路への熱媒体の流れを許容する逆止弁８５Ｄが設けられている。この逆止弁８５Ｄにより、意図しないタイミングで熱媒貯留タンク８１Ｄ内へ熱媒体が逆流することが抑えられる。

また、熱媒調整部８Ｄは、熱媒貯留タンク８１Ｄに貯留された熱媒体を加熱する加熱器８６Ｄを更に備えている。加熱器８６Ｄは、熱媒貯留タンク８１Ｄに貯留された熱媒体の圧力が、熱媒流路内の熱媒体の圧力よりも大きくなるように、熱媒貯留タンク８１Ｄに貯留された熱媒体を加熱する。これにより、熱媒貯留タンク８１Ｄ内の熱媒体を、より確実に熱媒流路に流入させることができる。加熱器８６Ｄは、熱媒体を加熱可能なものであればよく、特に限定されない。例えば、加熱器８６Ｄは、バーナーやヒータであってもよい。なお、熱媒調整部８Ｄの動作は、図示しない制御部により制御される。

［効果］
実施の形態４に係る熱電発電装置１Ｄによれば、以下の効果を奏することができる。

熱電発電装置１Ｄは、加熱部３の内部空間７ａの熱媒流路内の圧力が予め決められた下限値を下回らないように、熱媒貯留タンク８１Ｄ内の熱媒体を熱媒流路内に流すように構成されている。この構成によれば、熱媒体の圧力の過剰低下を抑えて、熱媒体の凝縮圧力を維持し、熱電素子２の両面の温度差を十分に確保することができる。その結果、発電量を向上させることができる。

また、例えば、熱電発電装置１Ｄの駆動を開始した直後は、熱媒体の圧力は通常低い。これに対して、熱電発電装置１Ｄによれば、当該熱媒体の圧力の上昇を促すことができ、発電量を向上させることができる。

なお、熱媒体の圧力が過剰増加した場合には、熱媒流路や熱電素子２が損傷し、元の状態に戻らない可能性がある。このため、熱媒流路内の圧力が予め決められた上限値を超えたときには、熱媒体の圧力を直ちに下げることが好ましい。これに対して、熱媒体の圧力が過剰低下しても、熱媒流路や熱電素子２は損傷しない。このため、熱媒流路内の圧力が予め決められた下限値を一定期間下回ったときに、熱媒体の圧力を上げるように構成されてもよい。

なお、前述したように、熱媒体の圧力は熱媒体の温度に対して比例関係にあるので、熱媒調整部８Ｄは、加熱部３の内部空間７ａの熱媒流路内の温度が予め決められた下限値を下回らないように熱媒体の温度を調整するよう構成されてもよい。具体的には、熱媒調整部８Ｄは、圧力検知部８３Ｄに代えて、熱媒体の温度を検知する温度検知部を備えてもよい。この場合、熱媒調整部８Ｄは、例えば、当該温度検知部の検知温度が予め決められた下限値を下回らないように、熱媒配管８２Ｄを通じて熱媒貯留タンク８１Ｄ内の熱媒体を熱媒流路に流入させるように構成すればよい。

なお、実施の形態４では、熱媒調整部８Ｄがポンプ８４Ｄ及び加熱器８６Ｄを備えるように構成したが、本発明はこれに限定されない。熱媒調整部８Ｄは、熱媒貯留タンク８１Ｄ内の熱媒体を熱媒流路に流入させることができればよく、ポンプ８４Ｄ及び加熱器８６Ｄのいずれか一方のみを備えるように構成されてもよい。

（実施の形態５）
［全体構成］
本発明の実施の形態５に係る熱電発電装置について説明する。なお、実施の形態５では、主に実施の形態１と異なる点について説明する。実施の形態５においては、実施の形態１と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態５では、実施の形態１と重複する記載は省略する。

図９は、実施の形態５に係る熱電発電装置１Ｅの概略構成を示す。

実施の形態５では、熱媒調整部８Ａに代えて、熱媒調整部８Ｅを備える点が、実施の形態１と異なる。

熱媒調整部８Ｅは、加熱部３の内部空間７ａの熱媒流路内の圧力が予め決められた下限値を下回らないように熱媒体の圧力を調整するよう構成されている。具体的には、熱媒調整部８Ｅは、熱媒体を貯留する熱媒貯留タンク８１Ｅと、熱媒流路と熱媒貯留タンク８１Ｅとを接続する熱媒配管８２Ｅと、熱媒配管８２Ｅを開閉する弁体８３Ｅと、熱媒体の圧力を検知する圧力検知部８４Ｅとを備えている。弁体８３Ｅは、例えば、電気で駆動する電動弁や電磁弁などの自動弁である。圧力検知部８４Ｅは、例えば、圧力センサである。

熱媒調整部８Ｅは、圧力検知部８４Ｅの検知圧力が予め決められた下限値を下回らないように、弁体８３Ｅを開放して、熱媒配管８２Ｅを通じて熱媒貯留タンク８１Ｅ内の熱媒体を熱媒流路に流入させるよう構成されている。なお、熱媒流路は接続部分を除いて密閉されている。このため、熱媒貯留タンク８１Ｅ内の熱媒体を熱媒流路に流入させると、熱媒流路を流れる熱媒体の充填量が増加し、熱媒流路の圧力が高くなる。

また、熱媒調整部８Ｅは、熱媒貯留タンク８１Ｅに貯留された熱媒体を加熱する加熱器８５Ｅを更に備えている。加熱器８５Ｅは、熱媒貯留タンク８１Ｅに貯留された熱媒体の圧力が、熱媒流路内の熱媒体の圧力よりも大きくなるように、熱媒貯留タンク８１Ｅに貯留された熱媒体を加熱する。これにより、熱媒貯留タンク８１Ｅ内の熱媒体を、より確実に熱媒流路に流入させることができる。なお、熱媒調整部８Ｅの動作は、図示しない制御部により制御される。

［効果］
実施の形態５に係る熱電発電装置１Ｅによれば、以下の効果を奏することができる。

熱電発電装置１Ｅは、加熱部３の内部空間７ａの熱媒流路内の圧力が予め決められた下限値を下回らないように、熱媒貯留タンク８１Ｅ内の熱媒体を熱媒流路内に流すように構成されている。この構成によれば、熱媒体の圧力の過剰低下を抑えて、熱媒体の凝縮圧力を維持し、熱電素子２の両面の温度差を十分に確保することができる。その結果、発電量を向上させることができる。

なお、前述したように、熱媒体の圧力は熱媒体の温度に対して比例関係にあるので、熱媒調整部８Ｅは、加熱部３の内部空間７ａの熱媒流路内の温度が予め決められた下限値を下回らないように熱媒体の温度を調整するよう構成されてもよい。具体的には、熱媒調整部８Ｅは、圧力検知部８４Ｅに代えて、熱媒体の温度を検知する温度検知部を備えてもよい。この場合、熱媒調整部８Ｅは、例えば、当該温度検知部の検知温度が予め決められた下限値を下回らないように、熱媒配管８２Ｅを通じて熱媒貯留タンク８１Ｅ内の熱媒体を熱媒流路に流入させるように構成すればよい。

なお、熱媒調整部８Ｅは、実施の形態１に係る熱媒調整部８Ａと同様に、熱媒流路内の圧力が予め決められた上限値を超えないように圧力を調整するよう構成されてもよい。即ち、熱媒調整部８Ｅは、加熱器８５Ｅによって熱媒貯留タンク８１Ｅ内の熱媒体を加熱せず、熱媒貯留タンク８１Ｅ内の熱媒体の圧力を、熱媒流路内の熱媒体の圧力よりも低くする。例えば、熱電発電装置１Ｅの駆動を開始した直後は、熱媒体の圧力が通常低く、このような状態にある。その後、熱媒調整部８Ｅは、圧力検知部８４Ｅの検知圧力が予め決められた上限値を超えないように、弁体８３Ｅを開放して、熱媒配管８２Ａを通じて熱媒流路内の熱媒体の一部を熱媒貯留タンク８１Ｅ内に流出させるように構成されてもよい。このように構成することで、熱媒体の圧力の過剰増加及び過剰低下の両方を抑えて、発電量を一層向上させることができる。

なお、実施の形態５では、弁体８３Ｅは、電動弁や電磁弁などの自動弁であるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、弁体８３Ｅは、一定の圧力を超えると開放する圧力逃がし弁であってもよい。この場合、圧力検知部８４Ｅを設ける必要性を無くすことができる。

なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明をある程度の詳細さをもって各実施形態において説明したが、これらの実施形態の開示内容は構成の細部において変化してしかるべきものである。また、各実施形態における要素の組合せや順序の変化は、本開示の範囲及び思想を逸脱することなく実現し得るものである。

本発明は、発電量を向上させることができるので、エンジンの排ガスダクトなどの流路を流れる高温流体の熱を利用して発電を行う熱電発電装置に有用である。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 熱電発電装置
１０ 熱電発電システム
１１ インバータ
１２ 電気負荷
１３ タンク
１４ 真空ポンプ
１５ 熱交換器
１６ 冷却設備
２ 熱電素子
２０ａ，２０ｂ 熱電モジュール
３ 加熱部
４ 冷却部
４０ 冷却液流路
４１ 冷却液流入管
４２ 冷却液排出管
５ 流路
６ 伝熱管
６１ 管状部材
６２ 曲げ部
６３，６４ 開口端部
７ 循環経路
７ａ，７ｂ 内部空間
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ，８Ｅ 熱媒調整部
８１Ａ 熱媒貯留タンク
８２Ａ 熱媒配管
８３Ａ 弁体
８４Ａ 圧力検知部
８１Ｂ 熱交換器
８２Ｂ 熱媒配管
８３Ｂ 圧力検知部
８１Ｃ 冷却管
８２Ｃ 分岐管
８３Ｃ 弁体
８４Ｃ 圧力検知部
８１Ｄ 熱媒貯留タンク
８２Ｄ 熱媒配管
８３Ｄ 圧力検知部
８４Ｄ ポンプ
８５Ｄ 逆止弁
８６Ｄ 加熱器
８１Ｅ 熱媒貯留タンク
８２Ｅ 熱媒配管
８３Ｅ 弁体
８４Ｅ 圧力検知部
８５Ｅ 加熱器
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 熱媒体ライン
Ｌ４，Ｌ５ 冷却液ライン

Claims (10)

1. 熱媒体が流れる熱媒流路を備える加熱部と、
   冷却液が流れる冷却液流路を備える冷却部と、
   一方の面に前記加熱部が設けられるとともに、他方の面に前記冷却部が設けられ、前記熱媒流路内で潜熱変化する前記熱媒体の凝縮温度と前記冷却液の温度との温度差によって発電する熱電素子と、
   を備える熱電発電装置であって、
   前記熱媒体の圧力又は温度を調整する熱媒調整部を更に備え、
   前記熱媒調整部は、
   前記熱媒体を貯留する熱媒貯留タンクと、
   前記熱媒流路と前記熱媒貯留タンクとを接続する熱媒配管と、
   前記熱媒体の圧力を検知する圧力検知部又は前記熱媒体の温度を検知する温度検知部と、
   前記熱媒貯留タンクに貯留された熱媒体を加熱する加熱器と、
   を備え、
   前記圧力検知部の検知圧力又は前記温度検知部の検知温度が予め決められた下限値を下回らないように、前記熱媒配管を通じて前記熱媒貯留タンク内の熱媒体を前記熱媒流路に流入させるよう構成されている、熱電発電装置。
2. 前記熱媒調整部は、前記熱媒流路内の圧力又は温度が予め決められた上限値を超えないように前記圧力又は温度を調整するよう構成されている、請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記熱媒調整部は、前記熱媒配管を開閉する弁体を更に備え、
   前記圧力検知部の検知圧力又は前記温度検知部の検知温度が予め決められた上限値を超えないように、前記弁体を開放して、前記熱媒流路内の熱媒体の一部を前記熱媒貯留タンク内に流出させるよう構成されている、請求項２に記載の熱電発電装置。
4. 前記熱媒調整部は、前記熱媒体に対して熱交換を行う熱交換器を備え、
   前記熱交換器は、前記熱媒流路内の圧力又は温度が予め決められた上限値を超えたとき、前記熱媒体の圧力又は温度を下げるように前記熱媒体に対して熱交換を行うよう構成されている、請求項１に記載の熱電発電装置。
5. 前記熱媒調整部は、前記加熱部を通る冷却管を備え、前記熱媒流路内の圧力又は温度が予め決められた上限値を超えたとき、前記冷却管内に冷媒体を流すことによって前記熱媒流路内の圧力又は温度を下げるよう構成されている、請求項１に記載の熱電発電装置。
6. 前記熱媒調整部は、
   前記冷却液流路に前記冷却液を流入させる冷却液流入管から分岐された分岐管と、
   前記分岐管を開閉する弁体と、
   前記熱媒体の圧力を検知する圧力検知部又は前記熱媒体の温度を検知する温度検知部と、を備え、
   前記圧力検知部の検知圧力又は前記温度検知部の検知温度が予め決められた上限値を超えたとき、前記弁体を開放して、前記分岐管を通じて前記冷却液の一部を前記冷媒体として前記冷却管内に流すよう構成されている、請求項５に記載の熱電発電装置。
7. 前記熱媒調整部は、前記熱媒流路内の圧力又は温度が予め決められた下限値を下回らないように前記圧力又は温度を調整するよう構成されている、請求項１〜６のいずれか１つに記載の熱電発電装置。
8. 前記熱媒調整部は、前記熱媒貯留タンク内の熱媒体を前記熱媒流路に圧送するポンプを備えている、請求項１〜７のいずれか１つに記載の熱電発電装置。
9. 前記熱媒調整部は、前記熱媒配管を開閉する弁体を更に備え、
   前記圧力検知部の検知圧力又は前記温度検知部の検知温度が予め決められた下限値を下回らないように、前記弁体を開放して、前記熱媒配管を通じて前記熱媒貯留タンク内の熱媒体を前記熱媒流路に流入させるよう構成されている、請求項１〜８のいずれか１つに記載の熱電発電装置。
10. 前記加熱器は、前記熱媒貯留タンクに貯留された熱媒体の圧力又は温度が前記熱媒流路内の圧力又は温度よりも高くなるように前記熱媒体を加熱するよう構成されている、請求項１〜９のいずれか１つに記載の熱電発電装置。

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