JP6712530B2 - 熱電発電システム - Google Patents

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Description

本発明は、温度差により発電す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。
また、特許文献2には、車両に搭載される熱電発電装置において、車速又はエンジンの回転数に対応する推定発電量と、実発電量とに基づいて熱電発電装置の異常を検知する構成が開示されている。
特開2015−012173号公報 特開2007−014161号公報
特許文献1及び2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。
一方、熱電発電装置は、数年から十数年程度の長期間にわたって使用されることが想定されるものである。この長期間の使用中に、熱電発電装置の各種部品のいずれかが故障したり、冷却液が漏出したりするなどして、発電出力が異常に低下することが起こり得る。このため、熱電発電装置においては、特許文献2のように、異常を検知する構成を備えることが望まれる。
しかしながら、特許文献2は、顕熱変化する熱媒体を利用することを前提としており、潜熱変化する熱媒体を利用することを想定していない。従って、従来の熱電発電装置は、熱電発電装置の異常をより確実に検知す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、熱電発電装置の異常をより確実に検知す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、
前記熱電素子の発電出力を検知する発電出力検知部と、
前記熱媒体の圧力を検知する熱媒圧力検知部又は前記熱媒体の温度を検知する熱媒温度検知部と、
前記熱電発電装置が正常状態であるときの、前記熱電素子の発電出力と前記熱媒体の圧力又は温度との関係を予め記憶する記憶部と、
前記発電出力検知部が検知した発電出力と、前記熱媒圧力検知部が検知した圧力又は前記熱媒温度検知部が検知した温度との関係が、前記記憶部に記憶された関係と異なるとき、前記熱電発電装置が異常であると検知する異常検知部と、
を更に備える。
また、本発明の他の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、
前記熱電素子の発電出力を検知する発電出力検知部と、
前記熱媒体の温度を検知する熱媒温度検知部と、
前記冷却液の温度を検知する冷却液温度検知部と、
前記熱電発電装置が正常状態であるときの、前記熱電素子の発電出力と、前記熱媒体の温度と前記冷却液の温度との差、との関係を予め記憶する記憶部と、
前記発電出力検知部が検知した発電出力と、前記熱媒温度検知部が検知した温度と前記冷却液温度検知部が検知した温度との差、との関係が、前記記憶部に記憶された関係と異なるとき、前記熱電発電装置が異常であると検知する異常検知部と、
を更に備える。
また、本発明の他の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、
前記熱電素子の発電出力を検知する発電出力検知部と、
前記熱媒体の温度を検知する熱媒温度検知部と、
前記冷却液の熱交換量を検知する熱交換量検知部と、
前記熱電発電装置が正常状態であるときの、前記熱電素子の発電出力と前記冷却液の熱交換量との関係を予め記憶する記憶部と、
前記発電出力検知部が検知した発電出力と前記熱交換量検知部が検知した熱交換量との関係が、前記記憶部に記憶された関係と異なるとき、前記熱電発電装置が異常であると検知する異常検知部と、
を更に備える。
また、本発明の他の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、
熱源となる流路内に配置され、前記熱媒流路に連通して前記熱媒体が循環する循環経路を形成する伝熱管と、
を備える熱電発電装置であって、
熱源温度を検知する熱源温度検知部と、
前記熱媒体の圧力を検知する熱媒圧力検知部又は前記熱媒体の温度を検知する熱媒温度検知部と、
前記熱電発電装置が正常状態であるときの、前記熱源温度と前記熱媒体の圧力又は温度との関係を予め記憶する記憶部と、
前記熱源温度検知部が検知した温度と、前記熱媒圧力検知部が検知した圧力又は前記熱媒温度検知部が検知した温度との関係が、前記記憶部に記憶された関係と異なるとき、前記熱電発電装置が異常であると検知する異常検知部と、
を更に備える。
また、本発明の他の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、
熱源となる流路内に配置され、前記熱媒流路に連通して前記熱媒体が循環する循環経路を形成する伝熱管と、
を備える熱電発電装置であって、
熱源温度を検知する熱源温度検知部と、
前記冷却液の熱交換量を検知する熱交換量検知部と、
前記熱電発電装置が正常状態であるときの、前記熱源温度と前記熱交換量との関係を予め記憶する記憶部と、
前記熱源温度検知部が検知した温度と、前記熱交換量検知部が検知した熱交換量との関係が、前記記憶部に記憶された関係と異なるとき、前記熱電発電装置が異常であると検知する異常検知部と、
を更に備える。
また、本発明の他の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一対の冷却部と
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一対の熱電素子と、
を備える熱電発電装置であって、
前記一対の熱電素子は、前記加熱部を介して互いに対向するように設けられ、
前記一対の冷却部は、前記加熱部及び前記一対の熱電素子を介して互いに対向するように設けられ、
前記一対の熱電素子の一方の発電出力と、前記一対の熱電素子の他方の発電出力との差が、予め決められた閾値以上であるとき、前記熱電発電装置が異常であると検知する異常検知部を更に備える。
本発明に係る熱電発電装置によれば、熱電発電装置の異常をより確実に検知することができる。
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1に係る熱電発電装置の異常検知構成を示す図である。 正常状態及び検知状態における熱電素子の発電出力と熱媒体の圧力(又は温度)との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態2に係る熱電発電装置の異常検知構成を示す図である。 正常状態及び検知状態における熱電素子の発電出力と、熱媒体の温度と冷却液との差、との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態3に係る熱電発電装置の異常検知構成を示す図である。 正常状態及び検知状態における熱電素子の発電出力と冷却液の熱交換量との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態4に係る熱電発電装置の異常検知構成を示す図である。 正常状態及び検知状態における熱源温度と熱媒体の圧力(又は温度)との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態5に係る熱電発電装置の異常検知構成を示す図である。 正常状態及び検知状態における熱源温度と冷却液の熱交換量との関係を示すグラフ 本発明の実施の形態6に係る熱電発電装置の異常検知構成を示す図である。 本発明の実施の形態7に係る熱電発電装置の異常検知構成を示す図である。
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)
[基本構成]
実施の形態1に係る熱電発電装置の基本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1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。即ち、熱電発電装置1Aは、加熱部3を介して互いに対向するように設けられた一対の熱電素子2と、加熱部3及び一対の熱電素子2を介して互いに対向するように設けられた一対の冷却部4とを備えている。また、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。
<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。即ち、伝熱管6は、熱媒流路に連通して熱媒体が循環する循環経路7を形成する。
伝熱管6は、熱源となる流路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、例えば、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。
<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5は、熱電発電システム10の電気系統の概略図を示す。図5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6は、熱電発電システム10の熱媒体系統の概略図を示す。図6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6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6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。
<異常検知>
次に、熱電発電装置1Aの異常を検知する構成について説明する。
図6は、熱電発電装置1Aの異常検知構成を示す。図6に示すように、熱電発電装置1Aは、発電出力検知部21Aと、熱媒圧力検知部22Aと、記憶部23Aと、異常検知部24Aとを備えている。
発電出力検知部21Aは、熱電素子2の発電出力を検知する。「発電出力」とは、例えば、電圧、電流、電位、発電量などの熱電素子2の発電による出力である。発電出力検知部21Aは、例えば、電圧計、電流計、電位計、発電量計である。
熱媒圧力検知部22Aは、加熱部3の熱媒流路を流れる熱媒体の圧力を検知する。熱媒圧力検知部22Aは、例えば、圧力センサである。
記憶部23Aは、熱電発電装置1Aが正常状態であるときの、熱電素子2の発電出力と熱媒体の圧力との関係(例えば、関係式やマップ)を予め記憶する。「正常状態」とは、熱電発電装置1Aの各種部品のいずれかが故障したり、冷却液が漏出したりするなどの異常を起こしてない状態をいう。熱電発電装置1Aは、通常、熱媒体の圧力が同じであっても、経年変化等により発電出力は低下する。「正常状態」は、図7に示すように、経年変化等による発電出力の低下を考慮して設定されることが望ましい。
異常検知部24Aは、発電出力検知部21Aが検知した発電出力と熱媒圧力検知部22Aが検知した圧力との関係が、記憶部23Aに記憶された関係と異なるとき、熱電発電装置1Aが異常であると検知する。例えば、異常検知部24Aは、発電出力検知部21Aが検知した発電出力と熱媒圧力検知部22Aが検知した圧力との関係(検知状態)を取得する。異常検知部24Aは、図7に示すように、取得した検知状態が、記憶部23Aに記憶された関係と異なるとき、即ち正常状態の範囲外であるとき、熱電発電装置1Aが異常であると検知する。例えば、熱媒体の圧力が1.2Mpaであり、熱電素子2の発電出力が180W以上200W以下である場合に正常状態であるとする。この場合において、熱媒圧力検知部22Aが検知した圧力が1.2Mpaであり、発電出力検知部21Aが検知した発電出力が150Wであるとき、異常検知部24Aは、熱電発電装置1Aが異常であると検知する。
異常検知部24Aは、熱電発電装置1Aの異常を検知したとき、例えば、音や表示などの報知手段により使用者に異常を報知する。これにより、熱電発電装置1Aの異常を使用者に認識させることが可能になる。
[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、熱電素子2の発電出力と熱媒体の圧力との関係が正常状態であるか否かに基づいて、熱電発電装置1Aの異常を検知するように構成されている。この構成によれば、潜熱変化する熱媒体を加熱部3に利用する場合でも、熱電発電装置1Aの異常をより確実に検知することができる。
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。
なお、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、熱電発電装置1Aは、熱電素子2の発電出力と熱媒体の温度との関係が正常状態であるか否かに基づいて、熱電発電装置1Aの異常を検知するように構成されてもよい。具体的には、熱媒圧力検知部22Aに代えて、熱媒体の温度を検知する熱媒温度検知部を備えてもよい。この場合、記憶部23Aは、熱電発電装置1Aが正常状態であるときの、熱電素子2の発電出力と熱媒体の温度との関係を予め記憶すればよい。また、異常検知部24Aは、発電出力検知部21Aが検知した発電出力と熱媒温度検知部が検知した温度との関係が、記憶部23Aに記憶された関係と異なるとき、熱電発電装置1Aが異常であると検知するように構成すればよい。
(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8は、実施の形態2に係る熱電発電装置1Bの異常検知構成を示す。
実施の形態2では、熱電発電装置1Bが、熱電素子2の発電出力と、熱媒体の温度圧力と冷却液の温度との差との関係が正常状態であるか否かに基づいて、熱電発電装置1Bの異常を検知するように構成されている点が、実施の形態1と異なる。
具体的には、熱電発電装置1Bは、異常検知構成として、発電出力検知部21Bと、熱媒温度検知部22Bと、冷却液温度検知部23Bと、記憶部24Bと、異常検知部25Bとを備えている。
発電出力検知部21Bは、熱電素子2の発電出力を検知する。発電出力検知部21Bは、例えば、電圧計、電流計、電位計、発電量計である。熱媒温度検知部22Bは、加熱部3の熱媒流路を流れる熱媒体の温度を検知する。冷却液温度検知部23Bは、冷却部4の冷却液流路を流れる冷却液の温度を検知する。実施の形態2では、冷却液温度検知部23Bは、冷却液流入管41(図3参照)の近傍の温度を検知する。熱媒温度検知部22B及び冷却液温度検知部23Bは、例えば、温度センサである。記憶部24Bは、熱電発電装置1Bが正常状態であるときの、熱電素子2の発電出力と、熱媒体の温度と冷却液の温度との差、との関係(例えば、関係式やマップ)を予め記憶する。
異常検知部25Bは、発電出力検知部21Bが検知した発電出力と、熱媒温度検知部22Bが検知した温度と冷却液温度検知部23Bが検知した温度との差、との関係が、記憶部24Bに記憶された関係と異なるとき、熱電発電装置1Bが異常であると検知する。例えば、異常検知部25Bは、発電出力検知部21Bが検知した発電出力と、熱媒温度検知部22Bが検知した温度と冷却液温度検知部23Bが検知した温度との差、との関係(検知状態)を取得する。異常検知部25Bは、図9に示すように、取得した検知状態が、記憶部24Bに記憶された関係と異なるとき、即ち正常状態の範囲外であるとき、熱電発電装置1Bが異常であると検知する。
[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は、熱電素子2の発電出力と、熱媒体の温度と冷却液の温度との差との関係が正常状態であるか否かに基づいて、熱電発電装置1Bの異常を検知するように構成されている。即ち、温度差により発電する熱電素子2に対して、当該温度差を熱媒温度検知部22B及び冷却液温度検知部23Bにより直接的に検知するように構成されている。この構成によれば、潜熱変化する熱媒体を加熱部3に利用する場合でも、熱電発電装置1Bの異常をより確実に検知することができる。
(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10は、実施の形態3に係る熱電発電装置1Cの異常検知構成を示す。
実施の形態3では、熱電発電装置1Cが、熱電素子2の発電出力と冷却液の熱交換量との関係が正常状態であるか否かに基づいて、熱電発電装置1Cの異常を検知するように構成されている点が、実施の形態1と異なる。
具体的には、熱電発電装置1Cは、異常検知構成として、発電出力検知部21Cと、熱交換量検知部22Cと、記憶部23Cと、異常検知部24Cとを備えている。
発電出力検知部21Cは、熱電素子2の発電出力を検知する。発電出力検知部21Cは、例えば、電圧計、電流計、電位計、発電量計である。熱交換量検知部22Cは、冷却液の熱交換量を検知する。例えば、熱交換量検知部22Cは、冷却液流路を流れる冷却液の流量、冷却液の比熱、冷却液排出管42(図3参照)の近傍の温度と冷却液流入管41(図3参照)の近傍の温度との差などに基づいて、冷却液の熱交換量を検知する。記憶部23Cは、熱電発電装置1Cが正常状態であるときの、熱電素子2の発電出力と冷却液の熱交換量との関係(例えば、関係式やマップ)を予め記憶する。
異常検知部24Cは、発電出力検知部21Cが検知した発電出力と熱交換量検知部22Cが検知した熱交換量との関係が、記憶部23Cに記憶された関係と異なるとき、熱電発電装置1Cが異常であると検知する。例えば、異常検知部24Cは、発電出力検知部21Cが検知した発電出力と熱交換量検知部22Cが検知した熱交換量との関係(検知状態)を取得する。異常検知部24Cは、図11に示すように、取得した検知状態が、記憶部22Cに記憶された関係と異なるとき、即ち正常状態の範囲外であるとき、熱電発電装置1Cが異常であると検知する。
[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、熱電素子2の発電出力と冷却液の熱交換量との関係が正常状態であるか否かに基づいて、熱電発電装置1Cの異常を検知するように構成されている。この構成によれば、潜熱変化する熱媒体を加熱部3に利用する場合でも、熱電発電装置1Cの異常をより確実に検知することができる。
(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12は、実施の形態4に係る熱電発電装置1Dの異常検知構成を示す。
実施の形態4では、熱電発電装置1Dが、熱源温度(図1Aに示す流路5内の温度)と熱媒体の圧力との関係が正常状態であるか否かに基づいて、熱電発電装置1Dの異常を検知するように構成されている点が、実施の形態1と異なる。
具体的には、熱電発電装置1Dは、異常検知構成として、熱源温度検知部21Dと、熱媒圧力検知部22Dと、記憶部23Dと、異常検知部24Dとを備えている。
熱源温度検知部21Dは、熱源となる流路5(図1A参照)内の温度を検知する。熱源温度検知部21Dは、例えば、温度センサである。熱媒圧力検知部22Dは、加熱部3の熱媒流路を流れる熱媒体の圧力を検知する。熱媒圧力検知部22Dは、例えば、圧力センサである。記憶部23Dは、熱電発電装置1Dが正常状態であるときの、熱源温度と熱媒体の圧力との関係(例えば、関係式やマップ)を予め記憶する。
異常検知部24Dは、熱源温度検知部21Dが検知した温度と熱媒圧力検知部22Dが検知した圧力との関係が、記憶部23Dに記憶された関係と異なるとき、熱電発電装置1Cが異常であると検知する。例えば、異常検知部24Dは、熱源温度検知部21Dが検知した温度と熱媒圧力検知部22Dが検知した圧力との関係(検知状態)を取得する。異常検知部24Dは、図13に示すように、取得した検知状態が、記憶部23Dに記憶された関係と異なるとき、即ち正常状態の範囲外であるとき、熱電発電装置1Dが異常であると検知する。
[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。
熱媒体の圧力は、熱源温度に対して相関関係にあるはずである。そこで、熱電発電装置1Dは、熱電素子2の発電出力と冷却液の熱交換量との関係が正常状態であるか否かに基づいて、熱電発電装置1Dの異常を検知するように構成されている。この構成によれば、潜熱変化する熱媒体を加熱部3に利用する場合でも、熱電発電装置1Dの異常をより確実に検知することができる。例えば、この構成によれば、伝熱管6に煤が過剰に付着していることを検知することができる。即ち、伝熱管6に煤が過剰に付着している場合、伝熱管6内を通る熱媒体が熱源から受ける熱量が低下し、熱媒体の圧力が過剰に低下することになる。
なお、熱電素子2の発電出力は、熱電発電装置1Dの個体差によって熱電発電装置1D毎に多少異なることが有り得る。これに対して、熱源温度及び熱媒体の圧力は、熱電発電装置1Dの個体差の影響を受けない。従って、前記構成によれば、熱電発電装置1Dの個体差を考慮する必要性を無くすことができる。
(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14は、実施の形態5に係る熱電発電装置1Eの異常検知構成を示す。
実施の形態5では、熱電発電装置1Eが、熱源温度(図1Aに示す流路5内の温度)と冷却液の熱交換量との関係が正常状態であるか否かに基づいて、熱電発電装置1Eの異常を検知するように構成されている点が、実施の形態1と異なる。
具体的には、熱電発電装置1Eは、異常検知構成として、熱源温度検知部21Eと、熱交換量検知部22Eと、記憶部23Eと、異常検知部24Eとを備えている。
熱源温度検知部21Eは、熱源となる流路5(図1A参照)内の温度を検知する。熱源温度検知部21Eは、例えば、温度センサである。熱交換量検知部22Eは、冷却液の熱交換量を検知する。例えば、熱交換量検知部22Eは、冷却液流路を流れる冷却液の流量、冷却液の比熱、冷却液排出管42(図3参照)の近傍の温度と冷却液流入管41(図3参照)の近傍の温度との差などに基づいて、冷却液の熱交換量を検知する。記憶部23Eは、熱電発電装置1Eが正常状態であるときの、熱源温度と冷却液の熱交換量との関係(例えば、関係式やマップ)を予め記憶する。
異常検知部24Eは、熱源温度検知部21Eが検知した熱源温度と熱交換量検知部22Eが検知した熱交換量との関係が、記憶部23Eに記憶された関係と異なるとき、熱電発電装置1Eが異常であると検知する。例えば、異常検知部24Eは、熱源温度検知部21Eが検知した温度と熱交換量検知部22Eが検知した熱交換量との関係(検知状態)を取得する。異常検知部24Eは、図15に示すように、取得した検知状態が、記憶部23Eに記憶された関係と異なるとき、即ち正常状態の範囲外であるとき、熱電発電装置1Eが異常であると検知する。
[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。
冷却液の熱交換量は、熱源温度に対して相関関係にあるはずである。そこで、熱電発電装置1Eは、熱源温度と冷却液の熱交換量との関係が正常状態であるか否かに基づいて、熱電発電装置1Eの異常を検知するように構成されている。この構成によれば、潜熱変化する熱媒体を加熱部3に利用する場合でも、熱電発電装置1Eの異常をより確実に検知することができる。例えば、この構成によれば、伝熱管6に煤が過剰に付着していることを検知することができる。即ち、伝熱管6に煤が過剰に付着している場合、伝熱管6内を通る熱媒体が熱源から受ける熱量が低下し、その結果、熱電素子2の両面の温度差が低下し、冷却液の熱交換量が過剰に低下することになる。
なお、熱電素子2の発電出力は、熱電発電装置1Eの個体差によって熱電発電装置1E毎に多少異なることが有り得る。これに対して、熱源温度及び冷却液の熱交換量は、熱電発電装置1Eの個体差の影響を受けない。従って、前記構成によれば、熱電発電装置1Eの個体差を考慮する必要性を無くすことができる。
(実施の形態6)
[全体構成]
本発明の実施の形態6に係る熱電発電装置について説明する。なお、実施の形態6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6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6では、実施の形態1と重複する記載は省略する。
図16は、実施の形態6に係る熱電発電装置1Fの異常検知構成を示す。
実施の形態6では、熱電発電装置1Fが、一対の熱電素子2(20a,20b)の発電出力の差に基づいて、熱電発電装置1Fの異常を検知するように構成されている点が、実施の形態1と異なる。
具体的には、熱電発電装置1Fは、異常検知構成として、一対の熱電素子2の一方の発電出力と、一対の熱電素子2の他方の発電出力との差が、予め決められた閾値以上であるとき、熱電発電装置1Fが異常であると検知する異常検知部21Fを備えている。異常検知部21Fは、例えば、電圧計、電流計、電位計、発電量計を備えている。
[効果]
実施の形態6に係る熱電発電装置1Fによれば、以下の効果を奏することができる。
一対の熱電素子2は、加熱部3を共有するため、冷却部4に供給される冷却液が同じである場合には、それらの発電出力は同じになるはずである。そこで、熱電発電装置1Fは、一対の熱電素子2の発電出力の差が、想定される誤差(予め決められた閾値)より大きいとき、熱電発電装置1Fの異常を検知するように構成されている。この構成によれば、潜熱変化する熱媒体を加熱部3に利用する場合でも、熱電発電装置1Fの異常をより確実に検知することができる。また、一対の熱電素子2のいずれか一方に異常が発生していることを認識することができる。また、一対の熱電素子2の発電出力を比較するだけであるので、他の実施形態のように、熱媒圧力検知部や記憶部などを備える必要がない。
(実施の形態7)
[全体構成]
本発明の実施の形態7に係る熱電発電装置について説明する。なお、実施の形態7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7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7では、実施の形態1と重複する記載は省略する。
図17は、実施の形態7に係る熱電発電装置1Gの異常検知構成を示す。
実施の形態7では、熱電発電装置1Gが、熱媒体の圧力に基づいて、熱電発電装置1Gの異常を検知するように構成されている点が、実施の形態1と異なる。
具体的には、熱電発電装置1Gは、異常検知構成として、熱媒圧力検知部21Gと、異常検知部22Gとを備えている。
熱媒圧力検知部21Gは、加熱部3の熱媒流路を流れる熱媒体の圧力を検知する。熱媒圧力検知部21Gは、例えば、圧力センサである。異常検知部22Gは、熱媒圧力検知部21Gが検知した圧力に基づく熱媒体の換算飽和温度が予め決められた閾値を超えたとき、熱電発電装置1Gが異常であると検知する。例えば、予め決められた閾値が200度であり、熱媒圧力検知部21Gが検知した圧力が1.6Mpaであり、当該圧力に基づく熱媒体の換算飽和温度が210度である場合、異常検知部22Gは、熱電発電装置1Gが異常であると検知する。
[効果]
実施の形態7に係る熱電発電装置1Gによれば、以下の効果を奏することができる。
加熱部3の熱媒流路における熱媒体の温度が過剰に高くなると、当該熱により熱電素子2が、過加熱されて故障することがある。また、熱媒流路を流れる熱媒体の温度の検知は、熱媒流路に接続された分岐管に熱媒体の一部を流し、当該熱媒体の一部の温度を検知すること容易に行うことができる。しかしながら、この場合、分岐管を通る過程で冷却され、熱媒体の温度が正確に検知できないおそれがある。一方、熱媒体の圧力は、熱媒流路内でも、分岐管内でも同じである。また、前述したように、熱媒体の圧力と温度とは比例関係にある。そこで、熱電発電装置1Bは、熱媒体の圧力に基づいて、熱電発電装置1Gの異常を検知するように構成されている。この構成によれば、潜熱変化する熱媒体を加熱部3に利用する場合でも、熱電発電装置1Gの異常(過加熱)をより確実に検知することができる。
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、異常をより確実に検知す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,1F,1G 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
21A 発電出力検知部
22A 熱媒圧力検知部
23A 記憶部
24A 異常検知部
21B 発電出力検知部
22B 熱媒温度検知部
23B 冷却液温度検知部
24B 記憶部
25B 異常検知部
21C 発電出力検知部
22C 熱交換量検知部
23C 記憶部
24C 異常検知部
21D 熱源温度検知部
22D 熱媒圧力検知部
23D 記憶部
24D 異常検知部
21E 熱源温度検知部
22E 熱交換量検知部
23E 記憶部
24E 異常検知部
21F 異常検知部
21G 熱媒圧力検知部
22G 異常検知部
L1,L2,L3 熱媒体ライン
L4,L5 冷却液ライン

Claims (4)

  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、
    熱源となる流路内に配置され、前記熱媒流路に連通して前記熱媒体が循環する循環経路を形成する伝熱管と、
    を備える熱電発電装置であって、
    前記熱電素子の発電出力を検知する発電出力検知部と、
    前記熱媒体の温度を検知する熱媒温度検知部と、
    前記冷却液の温度を検知する冷却液温度検知部と、
    前記熱電発電装置が正常状態であるときの、前記熱電素子の発電出力と、前記熱媒体の温度と前記冷却液の温度との差、との関係を予め記憶する記憶部と、
    前記発電出力検知部が検知した発電出力と、前記熱媒温度検知部が検知した温度と前記冷却液温度検知部が検知した温度との差、との関係が、前記記憶部に記憶された関係と異なるとき、前記熱電発電装置が異常であると検知する異常検知部と、
    を更に備える、熱電発電装置。
  2. 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、
    熱源となる流路内に配置され、前記熱媒流路に連通して前記熱媒体が循環する循環経路を形成する伝熱管と、
    を備える熱電発電装置であって、
    熱源温度を検知する熱源温度検知部と、
    前記熱媒体の圧力を検知する熱媒圧力検知部又は前記熱媒体の温度を検知する熱媒温度検知部と、
    前記熱電発電装置が正常状態であるときの、前記熱源温度と前記熱媒体の圧力又は温度との関係を予め記憶する記憶部と、
    前記熱源温度検知部が検知した温度と、前記熱媒圧力検知部が検知した圧力又は前記熱媒温度検知部が検知した温度との関係が、前記記憶部に記憶された関係と異なるとき、前記熱電発電装置が異常であると検知する異常検知部と、
    を更に備える、熱電発電装置。
  3. 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、
    熱源となる流路内に配置され、前記熱媒流路に連通して前記熱媒体が循環する循環経路を形成する伝熱管と、
    を備える熱電発電装置であって、
    熱源温度を検知する熱源温度検知部と、
    前記冷却液の熱交換量を検知する熱交換量検知部と、
    前記熱電発電装置が正常状態であるときの、前記熱源温度と前記熱交換量との関係を予め記憶する記憶部と、
    前記熱源温度検知部が検知した温度と、前記熱交換量検知部が検知した熱交換量との関係が、前記記憶部に記憶された関係と異なるとき、前記熱電発電装置が異常であると検知する異常検知部と、
    を更に備える、熱電発電装置。
  4. 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一対の冷却部と
    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一対の熱電素子と、
    を備える熱電発電装置であって、
    前記一対の熱電素子は、前記加熱部を介して互いに対向するように設けられ、
    前記一対の冷却部は、前記加熱部及び前記一対の熱電素子を介して互いに対向するように設けられ、
    前記一対の熱電素子の一方の発電出力と、前記一対の熱電素子の他方の発電出力との差が、予め決められた閾値以上であるとき、前記熱電発電装置が異常であると検知する異常検知部を更に備える、熱電発電装置。
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