JP6728015B2 - 可搬式発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱電発電モジュールを用いた可搬式の発電装置に関するものである。

従来、屋外や災害時などに使用することのできる、持ち運び可能な可搬式の電源として、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュールを用いた発電装置が提案されている。この発電装置に使用される熱電発電モジュールは、低温部と高温部との温度差により起電力を発生するものであって、温度差が大きいほど大きな起電力を得ることができるため、発電装置には高温部を加熱する加熱源を備えている。

そして、このような発電装置における加熱源としては、触媒燃焼バーナ（例えば特許文献１）や、有炎燃焼バーナ（例えば特許文献２）などが提案されており、燃料としてプロパン、ブタン、ＬＰＧなどのいわゆる炭化水素燃料が用いられている。炭化水素燃料は、エネルギー密度が高いため、熱電発電モジュールの高温部を効率よく加熱し、高い発電効率を得ることができる。

特開平１０−２０１２６９号公報 特開２００４−１２９４４２号公報

ところで、バーナで燃料を燃焼させた後には高温の燃焼排ガスが発生する。この燃焼排ガスが装置内部に留まると装置内部が高温となり、他の部品に影響を及ぼすおそれがあるため、排気口から装置外部へ排気されるようになっている。ところが、燃焼排ガスをそのまま排出してしまうと、排気口からは高温の排ガスが排出されることになるため、あやまって排気口に手などを触れてしまった際には火傷の危険性がある。さらには、排気口付近に障害物が置かれていると過熱されてしまうため、設置の際には排気の方向にも注意が必要である。特に小型化して持ち運びが可能な場合には、設置にも注意しなければならない。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、安全性に優れた可搬式の発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、外装ケース内に、高温側と低温側との温度差により発電する熱電発電モジュールと、前記熱電発電モジュールの高温側に設けられた燃焼部と、前記熱電発電モジュールの低温側に設けられた冷却部と、外部の空気を前記外装ケース内に取り入れて前記冷却部に送風する送風機と、を備え、前記冷却部は、複数設けられるとともに、送風機からの空気が流入する冷却風入口と、冷却部を通過した後の空気が排出される冷却風出口と、を有し、前記燃焼部は、前記複数の冷却部の間に配設されており、前記複数の冷却部の冷却風入口の間には、前記送風機から送風される空気が前記燃焼部に流れ込むことを防ぐ防風板をさらに備え、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスを、前記冷却風出口から排出された空気と混合して外装ケース外に排出することを特徴とする可搬式発電装置である。

また、前記燃焼部に接続され、燃焼排ガスが導入される排ガス誘導部を備え、前記排ガス誘導部は前記冷却部との間に空間を介して配置されることを特徴とする請求項１に記載の可搬式発電装置である。

また、前記空間に断熱部材が配設されることを特徴とする請求項２記載の可搬式発電装置である。

また、前記冷却部を複数備え、前記排ガス誘導部は下流に燃焼排ガスを前記冷却部に向けて分岐させる排ガス分岐部を備えることを特徴とする請求項２または３記載の可搬式発電装置である。

また、前記排ガス分岐部には火炎視認部が設けられていることを特徴とする請求項４記載の可搬式発電装置である。

また、前記燃焼部は、筒状の燃焼室内に渦流火炎を形成する渦流燃焼器であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の可搬式発電装置である。

また、前記渦流燃焼器は、前記燃焼室で発生した燃焼排ガスが流入する燃焼排ガス経路と、前記燃焼室および前記燃焼排ガス経路を内包する燃焼器本体と、を備え、前記燃焼器本体が渦流火炎と燃焼排ガスによって加熱され、前記燃焼器本体の外周面に前記熱電発電モジュールが取り付けられていることを特徴とする請求項６記載の可搬式発電装置である。

上述のように構成することにより、排気の温度を下げることができるため、安全性に優れた可搬式の発電装置を提供することができる。

本発明の実施例を示す構成図である。 本発明の実施例の部分断面図である。 本発明の実施例の部分斜視図である。 （ａ）は本発明の実施例の渦流燃焼器の一例を示す断面構成図、（ｂ）は（ａ）に示す渦流燃焼器のＡ−Ａ‘断面図である。 本発明の実施例の変形例を示す部分断面図である。 本発明の実施例の排ガス誘導部の構成図である。

好適と考える本発明の実施形態を、本発明の作用効果を示して簡単に説明する。

本発明は、熱電発電モジュールと、熱電発電モジュールの高温側に設けられた燃焼部と、熱電発電モジュールの低温側に設けられた冷却部と、を外装ケース内に備え、燃焼部から排出される燃焼排ガスを、外部から取り込んだ空気と混合して外装ケース外に排出させるように構成した。

熱電発電モジュールを加熱する燃焼部からは、高温の燃焼排ガスが発生する。この燃焼排ガスをそのまま装置外部に排出してしまうと、誤って排気に触れてしまった場合には火傷をするおそれがある。そこで本発明は、燃焼排ガスを、外部から取り込んだ温度の低い空気と混合することで温度を低下させ、その後で外部に排出するようにした。これにより、排気に手が触れても火傷をすることがないため、安全性に優れた発電装置となる。

また、熱電発電モジュールの冷却のために外部から取り込んだ空気を排ガス温度の低下にも利用することで、空気を取り入れるための送風機や空気の流れる流路に既存の構造を利用して、上述の効果を有する発電装置を構成することができる。

また、燃焼排ガスが導入される排ガス誘導部を設け、この排ガス誘導部を冷却部との間に空間を介して配置したので、排ガス誘導部の熱が冷却部に伝達することを抑制し、発電効率を維持することができる。

また、排ガス誘導部と冷却部との間に断熱部材を設けることで、より排ガス誘導部の熱が冷却部に伝達することを抑制することができるので、発電効率の維持に効果的である。

また、冷却部を複数設け、排ガス誘導部の下流に燃焼排ガスを冷却部に向けて分岐させる排ガス分岐部を備える構成としたので、装置外部に排出する燃焼排ガスの温度を効率よく低下させることができる。

また、排ガス分岐部に火炎視認部を設けたことにより、燃焼部の燃焼状態を外部から確認することができるため、燃焼状態の変化にもすぐに対応することができる。

また、熱電発電モジュールの燃焼部を、筒状の燃焼室内に渦流火炎を形成する渦流燃焼器で構成した。渦流火炎は燃焼室内にのみ存在するため、熱電発電モジュールを加熱する燃焼部を小型に構成することができる。さらには、渦流火炎の高速な周方向回転速度によって火炎の熱が燃焼室を介して燃焼器全体に素早く熱伝達されるため、熱電発電モジュールを均等に加熱することができるので、高い発電効率を得ることができる。これにより、小型でかつ発電効率に優れた可搬式の発電装置を構成することが可能となる

また、この渦流燃焼器は、燃焼器本体内に燃焼室と燃焼排ガス経路を備えており、渦流火炎と燃焼排ガスによって燃焼器本体が加熱されるように構成したので、放熱による熱の損失を抑え、燃焼によって発生した熱を効率よく熱電発電モジュールに伝熱することができる。

以下、本発明の具体的な実施例について図を用いて説明する。図１は、本発明の実施例を示す構成図であり、図２は、本発明の実施例の部分断面図であり、図３は、本発明の実施例の部分斜視図である。

発電装置１は、外装ケース２内に、熱電発電モジュール３と、熱電発電モジュール３の高温側に設けられた燃焼部４と、熱電発電モジュール３の低温側に設けられた冷却部５と、冷却部５に送風する送風機１２と、燃焼部４から排出される燃焼排ガスが導入される排ガス誘導部１３と、燃料ガスを供給する燃料供給部６と、燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給部７と、燃料ガスと燃焼用空気を混合し予混合ガスを生成する予混合部８と、電池部９と、を収納して構成されている。また、外装ケース２には燃焼排ガスを排気する排気口１０と、熱電発電モジュール３で発生した電力を外部へ供給する出力部（図示せず）が形成されている。

熱電発電モジュール３は、ゼーベック効果を利用して熱起電力を発生するゼーベック素子（半導体素子）を用いている。このようなゼーベック素子は、ｎ型半導体とｐ型半導体を張り合わせて形成されており、加熱されると異種半導体の境界間でキャリア移動が行われ、起電力を生じる。このとき、高温部と低温部の温度差が大きいほど生成される起電力は大きくなるため、燃焼部４の燃焼によって高温側を加熱し、冷却部５によって低温側を冷却することで温度差を発生させている。

燃焼部４は、本実施例では図４に示す渦流燃焼器を用いて構成され、燃料供給部６から供給される燃料ガスと燃焼用空気供給部７から供給される燃焼用空気との予混合ガスを燃焼させ、熱電発電モジュール３の高温側を加熱する。

図４（ａ）は、燃焼部４である渦流燃焼器の一例を示す断面構成図であって、断面には現れない構成を破線で示している。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す渦流燃焼器のＡ−Ａ‘断面図である。略直方体形状の燃焼器本体２０の内部に、筒状の燃焼室２１と、燃焼室２１の内面の接線方向に向けて燃料ガスと燃焼用空気との予混合ガスを導入する予混合ガス導入経路２２と、燃焼室２１から排出される燃焼排ガスを導入する燃焼排ガス流路２３を備えている。また、燃焼器本体２０の表面には、燃焼排ガス流路２３の下流端と連通し、燃焼排ガスを燃焼器本体２０の外に排出する燃焼排ガス出口２４が設けられている。

上述の構成において、予混合ガス導入経路２２から燃焼室２１内の接線方向に向けて予混合ガスが導入されることで、燃焼室２１内に高速の旋回流を発生させる。この旋回流に点火することで燃焼室２１内には渦流火炎が形成され、この渦流火炎の熱および渦流火炎の燃焼によって生じた燃焼排ガスの熱により燃焼器本体２０が加熱される。図中の黒矢印は予混合ガスを示し、白矢印は燃焼排ガスを示している。

燃焼器本体２０は、燃焼により発生した熱を、熱電発電モジュール３に伝達するため、熱伝導率の高い金属部材（例えば、アルミニウムやアルミニウム合金等）で構成され、熱電発電モジュール３はこの燃焼器本体２０の外周面に密接して設けられる。なお、燃焼器本体２０の形状は、直方体形状に限らず、立方体形状であってもよいし、円筒形状であってもよい。また、本実例では、熱電発電モジュール３は、燃焼器本体２０の外周面のうち、最も面積の大きい２面に配置しているが、熱電発電モジュール３の数や配置はこれに限らない。さらにはその形状も燃焼器本体２０と密接させることができるものであればよく、平板状に限らない。

冷却部５は、熱電発電モジュール３の低温側に設けられ、送風機１２の回転により外装ケース２内に取り入れた空気を通過させることで、熱電発電モジュール３から熱を奪い冷却する。具体的には、冷却部５は、図２および図３に示すように、長手方向に沿って立設する複数のフィン５１を備え、送風機１２と対向するフィン５１の一端側が冷却風入口５２、フィン５１の他端側が冷却風出口５３となる。冷却風入口５２から冷却部５に取り入れられた空気は、これら複数枚のフィン５１の間を通過することでフィン５１から熱を奪い、熱電発電モジュール３を効率よく冷却する。フィン５１を通過した後の空気は冷却風出口５３から排出される。

２つの冷却部５の冷却風入口５２の間には、防風板１５が設けられており、送風機５から送風される空気が燃焼部４に流れこむことを防いでいる。これにより、燃焼部４が冷却されてしまうことが防止される。

燃焼部４の下流には排ガス誘導部１３が接続されており、燃焼排ガス出口２４から排出された燃焼排ガスは排ガス誘導部１３に流入する。本実施例の排ガス誘導部１３は、箱型筒状であり、燃焼部４の端部側面を覆うように設けられているが、燃焼部４との接続方法や形状はこれに限るものではない。また、排ガス誘導部１３は冷却部５との間に空間Ｓを有しており、この空間Ｓにより排ガス誘導部１３の熱が冷却部５に伝達することが抑制される。

なお、この空間Ｓには、図５に示すように断熱部材１６を設けてもよい。断熱部材１６を設けることで、より排ガス誘導部１３の熱が冷却部５に伝達することが抑制される。

さらに、排ガス誘導部１３の下流端には排ガス分岐部１４が設けられている。図２の黒矢印は排ガスの流れを示しており、排ガス誘導部１３を通過した燃焼排ガスは、排ガス分岐部１４に衝突して左右に分流されて冷却風出口５３に向かう。分流された燃焼排ガスは、冷却風出口５３から排出される空気と混合され、温度を低下させた後、排気口１０から外装ケース２の外に排気される。

図６は本発明の実施例の排ガス誘導部の構成図であり、箱型筒状の排ガス誘導部１３の開口に、排ガス分岐部１４が嵌挿されて構成されている。そして、排ガス分岐部１４には中央部分に耐熱ガラス等の耐熱性透明部材からなる火炎視認部１７が設けられていて、この火炎視認部１７から燃焼室２１内に形成される渦流火炎の燃焼状態を目視にて確認できるように構成されている。

なお、排ガス分岐部１４は、本実施例のように排ガス誘導部１３と別部材で構成してもよいし、排ガス誘導部１３と一体に形成することもできる。さらには、複数ある燃焼排ガス出口２４のそれぞれに対して、どちらか一方の冷却風出口５３に向かうように排ガス誘導部１３を配置してもよい。このようにすることで、排ガス分岐部１４を設けなくとも冷却風出口５３に燃焼排ガスを誘導することができる。

燃料供給部６は、燃焼部４に可燃性の燃料ガスを供給するものであって、圧縮された液化ガスが収容されたガスボンベ６ａが接続される。燃料供給部６は、本実施例のように外装ケース２内にガスボンベ６ａを収容して構成してもよいし、外装ケース２外のガスボンベと接続するようにしてもよい。

燃焼用空気供給部７は、例えば送風機により構成され、燃焼部４に燃焼用の空気を供給する。渦流燃焼器は内部の圧力損失が大きいため、燃料ガスが噴出する際に発生するエゼクタ効果だけでは燃焼に必要な空気を供給することができない。また、燃焼室２１内に高速の旋回流を発生させるためには燃焼用空気供給部７による空気の供給が必要となる。そのため、本発明の発電装置１には、燃焼用空気供給部７が設けられ、燃焼部４に強制的に空気を供給する。

予混合部８は、燃料供給部６から供給される燃料ガスと、燃焼用空気供給部７から供給される空気とを混合して予混合ガスを生成する。この予混合ガスは燃焼部４の予混合ガス導入経路２２に導入される。

電池部９は、熱電発電モジュール３が発電を開始するまでの間、電力を必要とする燃焼用空気供給部７および図示しない点火装置に電力を供給して駆動させる。電池部９は乾電池等の一次電池、リチウムイオン電池等の二次電池のいずれでもよいが、二次電池とすることで熱電発電モジュール３が発電を開始した際には、熱電発電モジュール３からの出力によって消費した分の電力を充電することができる。

次に、上述の構成における発電装置の動作について説明する。この発電装置１では、発電開始の指示があると、まず燃焼部４での燃焼を行わせるため、燃料ガスと燃焼用空気の供給を開始する。燃焼用空気を供給するためには、燃焼用空気供給部７を駆動させなければならないが、まだ熱電発電モジュール３は発電を開始していない。そのため、燃焼用空気供給部７は、電池部９から電力が供給されて駆動される。一方、燃料供給部６は、ガスボンベ６ａの圧力によって燃料を供給するため、電池部９からの電力供給は不要である。

燃焼用空気供給部７の駆動が開始されると、燃料供給部６から供給される燃料ガスと、燃焼用空気供給部７から供給される燃焼用空気が、予混合部８で混合されて予混合ガスとなり、燃焼部４の予混合ガス導入経路２２に流入する。この予混合ガスは、予混合ガス導入経路２２を通って燃焼室２１内の接線方向に導入されることで高速の旋回流となり、図示しない点火装置によって点火することで燃焼室２１に渦流火炎が形成される。点火装置は、電池部９から供給される電力によって駆動される。

ここで、予混合ガスの点火時には、理論空気比に対して予混合ガスが燃料過濃状態となるよう燃焼用空気供給部７から供給される空気量が制御される。これにより、予混合ガスの着火精度が向上し、着火ミスを防止することができる。

また、予混合ガスに着火し、燃焼開始が検知されると、理論空気比に対して予混合ガスが燃料希薄状態となるよう燃焼用空気供給部７から供給される空気量が変更される。これにより、燃焼排ガス中に含まれる一酸化炭素濃度を低減することができる。燃焼中は、予混合ガスの濃度が一定に保たれるよう燃焼用空気が供給されて安定燃焼を継続する。

燃焼により発生した高温の燃焼排ガスは、燃焼室２１の下流端で折り返し、燃焼排ガス流路２３に導入される。燃焼排ガス流路２３は、燃焼器本体２０内を長手方向に向かって燃焼室２１と平行に延びており、燃焼排ガスはこの燃焼排ガス流路２３を通過する間に燃焼器本体２０との熱交換により燃焼器本体２０を加熱する。また、燃焼器本体２０は、燃焼室２１に形成される火炎によっても加熱される。

このように燃焼器本体２０は、渦流火炎と燃焼排ガスによって加熱されるので、放熱による熱の損失が抑えられ、燃焼によって発生した熱を効率よく熱電発電モジュール３に伝熱することができる。

また、渦流燃焼器においては、火炎は燃焼室２１内にのみ存在するため、燃焼器本体２０を小型に構成することができる。これにより発電装置１を小型に構成することができる。さらには、渦流火炎の高速な周方向回転速度によって火炎の熱が燃焼室２１を介して燃焼器本体２０全体に素早く熱伝達されるため、熱電発電モジュール３が均等に加熱されるので、高い発電効率を得ることができる。

燃焼器本体２０の熱が熱電発電モジュール３に伝達され、熱電発電モジュール３の高温側が加熱されると、低温側との温度差によって起電力が発生し発電開始となる。この熱電発電モジュール３の出力が安定し所定値以上となると、燃焼用空気供給部７の駆動源がこれまでの電池部９から熱電発電モジュール３の出力に切り替えられ、また、熱電発電モジュール３から供給される電力によって送風機１２が駆動される。

送風機１２が駆動されると、外装ケース２内に空気が取り入れられ、冷却風入口５２から冷却部５に流入する。冷却部５に流入した空気は、フィン５１の間を通過することでフィン５１から熱を奪い、熱電発電モジュール３の低温側を冷却する。これにより、熱電発電モジュール３の低温側と高温側の温度差が大きくなり、熱電発電モジュール３の出力が上昇する。そして、発電装置１の駆動に必要な電力を差し引いた余剰の電力が出力部へ供給される。フィン５１を通過した後の空気は冷却風出口５３から排出される。

また、燃焼排ガス流路２３を通過して燃焼器本体２０と熱交換した燃焼排ガスは、燃焼排ガス出口２４から排出され、排ガス誘導部１３に流入する。この時点での燃焼排ガスは高温であるため、排ガス誘導部１３はこの燃焼排ガスにより加熱されて温度が上昇するが、冷却部５との間に空間Ｓを介して配置されているため、排ガス誘導部１３の熱が冷却部５に伝達されることが抑制され、冷却効率の低下が防止される。そして、排ガス誘導部１３を通過した燃焼排ガスは、排ガス分岐部１４に衝突して左右に分流されて冷却風出口５３に向かい、冷却風出口５３から排出される空気と混合され温度が低下した後、排気口１０から外装ケース２の外に排気される。

このように、温度の高い燃焼排ガスを、外部から取り込んだ温度の低い空気と混合することで温度を低下させ、その後で外装ケース２の外へ排気するため、誤って排気に手などが触れても火傷をするおそれがなく、安全性に優れた発電装置となる。

また、その際、熱電発電モジュール３の冷却のために外部から取り込み、冷却部５を通過した後の空気を燃焼排ガスと混合させて、燃焼排ガス温度の低下に利用することができる。これにより、空気を取り入れるための送風機や空気の流れる流路に既存の構造を利用して、上述の効果を有する発電装置を構成することができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施例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内において種々の変更、改良等が可能である。

２ 外装ケース
３ 熱電発電モジュール
４ 燃焼部
５ 冷却部
１２ 送風機
１３ 排ガス誘導部
１４ 排ガス分岐部
１６ 断熱部材
１７ 火炎視認部
２０ 燃焼器本体
２１ 燃焼室
２３ 燃焼排ガス流路

Claims (7)

1. 外装ケース内に、高温側と低温側との温度差により発電する熱電発電モジュールと、前記熱電発電モジュールの高温側に設けられた燃焼部と、前記熱電発電モジュールの低温側に設けられた冷却部と、外部の空気を前記外装ケース内に取り入れて前記冷却部に送風する送風機と、を備え、前記冷却部は、複数設けられるとともに、送風機からの空気が流入する冷却風入口と、冷却部を通過した後の空気が排出される冷却風出口と、を有し、前記燃焼部は、前記複数の冷却部の間に配設されており、前記複数の冷却部の冷却風入口の間には、前記送風機から送風される空気が前記燃焼部に流れ込むことを防ぐ防風板をさらに備え、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスを、前記冷却風出口から排出された空気と混合して外装ケース外に排出することを特徴とする可搬式発電装置。
2. 前記燃焼部に接続され、燃焼排ガスが導入される排ガス誘導部を備え、前記排ガス誘導部は前記冷却部との間に空間を介して配置されることを特徴とする請求項１に記載の可搬式発電装置。
3. 前記空間に断熱部材が配設されることを特徴とする請求項２記載の可搬式発電装置。
4. 前記冷却部を複数備え、前記排ガス誘導部は下流に燃焼排ガスを前記冷却部に向けて分岐させる排ガス分岐部を備えることを特徴とする請求項２または３記載の可搬式発電装置。
5. 前記排ガス分岐部には火炎視認部が設けられていることを特徴とする請求項４記載の可搬式発電装置。
6. 前記燃焼部は、筒状の燃焼室内に渦流火炎を形成する渦流燃焼器であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の可搬式発電装置。
7. 前記渦流燃焼器は、前記燃焼室で発生した燃焼排ガスが流入する燃焼排ガス経路と、前記燃焼室および前記燃焼排ガス経路を内包する燃焼器本体と、を備え、前記燃焼器本体が渦流火炎と燃焼排ガスによって加熱され、前記燃焼器本体の外周面に前記熱電発電モジュールが取り付けられていることを特徴とする請求項６記載の可搬式発電装置。

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