JP6747937B2 - 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複数の熱電発電装置を備える熱電発電システムに関する。
従来、この種の熱電発電システムとしては、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、複数の熱電発電装置を熱源の周囲に配置し、熱源の温度の経時変化に応じて熱源と各熱電発電装置との距離を変化させるように構成された熱電発電システムが開示されている。
特開２０１１−１７６１３１号公報
しかしながら、特許文献１の熱電発電システムでは、各熱電発電装置の発電量のバラツキを抑え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、各熱電発電装置の発電量のバラツキを抑えることができる熱電発電システムを提供する。
本発明の一態様に係る熱電発電システムは、複数の熱電発電装置を備える熱電発電システムであって、
各熱電発電装置は、
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、
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、
前記各熱電発電装置の伝熱管は、高温流体が流れる同一の流路内に配置され、
前記各熱電発電装置の熱媒流路は、互いに連通するように構成されている。
また、本発明の他の態様に係る熱電発電システムは、複数の熱電発電装置を備える熱電発電システムであって、
各熱電発電装置は、
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、
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、
前記各熱電発電装置の伝熱管は、高温流体が流れる同一の流路内に配置され、
前記各熱電発電装置の循環流路は、容積が同一であり、
前記高温流体から受ける熱量が高い位置に伝熱管が配置される熱電発電装置の循環経路内の熱媒体の充填量が、前記高温流体から受ける熱量が低い位置に伝熱管が配置される熱電発電装置の循環経路内の熱媒体の充填量よりも小さくなるように構成されている。
以上のように、本発明に係る熱電発電システムによれば、各熱電発電装置の発電量のバラツキを抑えることができる。
本発明の実施の形態１に係る熱電発電システムが備え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に係る熱電発電システムが備え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に係る熱電発電システムが備え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に係る熱電発電システムが備え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に係る熱電発電システムを高さ方向から見た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を高さ方向から見た概略構成を示す図である。 伝熱管と熱媒流路とを取付部を介して接続した熱電発電装置の変形例の概略構成を示す図である。 伝熱管と熱媒流路とを取付部を介して接続した熱電発電装置の変形例を高さ方向から見た概略構成を示す図である。 伝熱管と熱媒流路とを着脱可能な連結管で連通させた熱電発電装置の変形例の概略構成を示す図である。 伝熱管と熱媒流路とを着脱可能な連結管で連通させた熱電発電装置の変形例の概略構成を示す図である。 取付部が加熱部と冷却部と熱電素子とが流路の壁面に沿う方向に延在するように曲げられた曲げ部を有する熱電発電装置の変形例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、各熱電発電装置の発電量のバラツキを抑えるために鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
熱電発電装置は、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ものである。特許文献１の熱電発電システムでは、複数の熱電発電装置を熱源の周囲に配置することで、当該熱源が各熱電発電装置に共通の加熱部になる。また、熱源と各熱電発電装置との間の空間が熱媒流路となり、当該空間内の空気が熱媒体となる。
特許文献１の熱電発電システムでは、熱源に対して各熱電発電装置を接近又は離間することにより、熱電発電装置の熱電素子が熱源から受ける熱量を均一化するようにしている。この構成では、熱源からの熱が各熱電発電装置の熱電素子へ均等に放射される必要がある。しかしながら、環境条件等によっては、熱源からの熱は周囲に均等に放射されない場合がある。この場合、各熱電発電装置が受ける熱量にバラツキが生じ、各熱電発電装置の発電量にバラツキが生じることになる。
また、特許文献１の熱電発電システムでは、空気が熱媒体となり、熱媒流路を流れる空気は、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、各熱電発電装置の発電量のバラツキを抑えられることを見出した。即ち、熱媒体が潜熱変化するとき、熱媒体の凝縮温度は一定である。これを利用することで、各熱電発電装置が熱源から受ける熱量にバラツキが生じた場合であっても、各熱電発電装置の熱媒体の温度を一定にすることが可能になる。その結果、各熱電発電装置の発電量のバラツキを抑えることができる。
また、本発明者らは、各熱電発電装置に、熱媒流路に連通する伝熱管を設け、当該伝熱管を高温流体が流れる同一の流路内に配置することで、各熱電発電装置が受ける熱量のバラツキを抑えて、各熱電発電装置の発電量のバラツキを抑えられることを見出した。
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システムは、複数の熱電発電装置を備える熱電発電システムであって、
各熱電発電装置は、
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、
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、
前記各熱電発電装置の伝熱管は、高温流体が流れる同一の流路内に配置され、
前記各熱電発電装置の熱媒流路は、互いに連通するように構成されている。
この構成によれば、各熱電発電装置が熱媒流路内で潜熱変化する熱媒体の凝縮温度を利用して発電するようにしているので、各熱電発電装置の発電量のバラツキを抑えることができる。また、各熱電発電装置に、熱媒流路に連通する伝熱管を設け、当該伝熱管を高温流体が流れる同一の流路内に配置しているので、各熱電発電装置が受ける熱量のバラツキを抑えて、各熱電発電装置の発電量のバラツキを抑えることができる。更に、各熱電発電装置の熱媒流路が互いに連通するように構成しているので、各熱電発電装置の発電量のバラツキを一層抑えることができる。
なお、前記各熱電発電装置の熱媒流路は、当該熱媒流路内の圧力が均一化されるように互いに均圧管によって連通されてもよい。
この構成によれば、各熱電発電装置の熱媒流路内の圧力を均圧化して、各熱電発電装置の発電量のバラツキを一層抑えることができる。
なお、均圧管は、各熱電発電装置の熱媒流路内の圧力を均圧化するものであって、熱媒体が流れるように構成する必要はない。このため、前記均圧管の延在方向に対して直交する最大断面は、前記熱媒流路の延在方向に対して直交する最小断面よりも小さく構成してもよい。
また、本発明の他の態様に係る熱電発電システムは、複数の熱電発電装置を備える熱電発電システムであって、
各熱電発電装置は、
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、
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、
前記各熱電発電装置の伝熱管は、高温流体が流れる同一の流路内に配置され、
前記各熱電発電装置の循環流路は、容積が同一であり、
前記高温流体から受ける熱量が高い位置に伝熱管が配置される熱電発電装置の循環経路内の熱媒体の充填量が、前記高温流体から受ける熱量が低い位置に伝熱管が配置される熱電発電装置の循環経路内の熱媒体の充填量よりも小さくなるように構成されている。
この構成によれば、各熱電発電装置が熱媒流路内で潜熱変化する熱媒体の凝縮温度を利用して発電するようにしているので、各熱電発電装置の発電量のバラツキを抑えることができる。また、各熱電発電装置に、熱媒流路に連通する伝熱管を設け、当該伝熱管を高温流体が流れる同一の流路内に配置しているので、各熱電発電装置が受ける熱量のバラツキを抑えて、各熱電発電装置の発電量のバラツキを抑えることができる。更に、高温流体から受ける熱量に応じて各熱電発電装置の熱媒体の充填量を変えるように構成しているので、各熱電発電装置の熱媒流路内の圧力を均一化して、各熱電発電装置の発電量のバラツキを一層抑えることができる。
なお、前記伝熱管と前記熱媒流路とは、取付部を介して接続され、
前記取付部は、前記加熱部と前記冷却部と前記熱電素子とが前記流路の壁面に沿う方向に延在するように曲げられた曲げ部を有してもよい。
この構成によれば、熱電発電システムの省スペース化を図ることができる。
また、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、
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、
前記伝熱管は、高温流体が流れる流路内に配置され、
前記伝熱管と前記熱媒流路とは、取付部を介して接続されるように構成されている。
この構成によれば、前記伝熱管と前記熱媒流路との接続の自由度を向上させることができる。
なお、前記取付部は、前記流路の壁面に設けられ且つ前記伝熱管が通過可能な開口部を塞ぐように取り付けられるフランジ部を備えてもよい。
この構成によれば、例えば、流路の壁面に設けられた開口部に伝熱管を挿入することで、流路内に伝熱管を容易に配置することができるとともに、前記開口部をフランジ部で塞ぐことができる。従って、熱電発電装置を容易に流路の壁面に取り付けることができる。
また、前記取付部は、前記伝熱管と前記熱媒流路とを連通する着脱可能な連結管を備えてもよい。
この構成によれば、連結管が着脱可能であることにより、例えば、流路の壁厚や流路の壁面に形成された断熱材の厚さ等に応じて適当な長さの連結管を用いることが可能になる。従って、熱電発電装置の設置場所の自由度を向上させることができる。
また、前記取付部は、前記加熱部と前記冷却部と前記熱電素子とが前記流路の壁面に沿う方向に延在するように曲げられた曲げ部を有してもよい。
この構成によれば、熱電発電装置の省スペース化を図ることができる。
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）
実施の形態１に係る熱電発電システムは、複数の熱電発電装置を備えている。まず、熱電発電装置について説明する。
［熱電発電装置］
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１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１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１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１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。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１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、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。
図２は、熱電発電装置１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１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。
［熱電発電システム］
次に、実施の形態１に係る熱電発電システムについて説明する。
図４は、実施の形態１に係る熱電発電システム１０Ａを高さ方向から見た概略構成を示す。図４に示すように、熱電発電システム１０Ａは、４つの熱電発電装置１を備えている。各熱電発電装置１の伝熱管６は、高温流体が流れる同一の流路５内に配置されている。各熱電発電装置１の熱媒流路は、互いに連通するように構成されている。具体的には、各熱電発電装置１の熱媒流路は、当該熱媒流路内の圧力が均一化されるように互いに均圧管８によって連通されている。
＜電気系統＞
図５は、熱電発電システム１０Ａ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１０Ａは、４つの熱電発電装置１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１０Ａにおいて、４つの熱電発電装置１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１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１０Ａにおいて、４つの熱電発電装置１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１０Ａ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１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。
［効果］
実施の形態１に係る熱電発電システム１０Ａによれば、以下の効果を奏することができる。
熱電発電システム１０Ａでは、各熱電発電装置１が熱媒流路内で潜熱変化する熱媒体の凝縮温度を利用して発電するようにしているので、各熱電発電装置１の発電量のバラツキを抑えることができる。また、各熱電発電装置１に、熱媒流路に連通する伝熱管６を設け、当該伝熱管６を高温流体が流れる同一の流路５内に配置しているので、各熱電発電装置１が受ける熱量のバラツキを抑えて、各熱電発電装置１の発電量のバラツキを抑えることができる。
なお、実施の形態１では、高温流体は、流路５内を破線矢印の方向に流れるようにしている。この場合、高温流体は、流れ方向の上流側から下流側に向かうに従い、各伝熱管６に熱を奪われるなどして温度が低下する。このため、高温流体の流れ方向の下流側に配置される伝熱管６が受ける熱量は、高温流体の流れ方向の上流側に配置される伝熱管６が受ける熱量よりも小さくなる。
これに対して、熱電発電システム１０Ａでは、各熱電発電装置１の熱媒流路が互いに連通するように構成しているので、各熱電発電装置１の発電量のバラツキを一層抑えることができる。また、熱電発電システム１０Ａでは、各熱電発電装置１の熱媒流路が、当該熱媒流路内の圧力が均一化されるように互いに均圧管８によって連通されている。この構成によれば、各熱電発電装置１の熱媒流路内の圧力を均圧化して、各熱電発電装置１の発電量のバラツキを一層抑えることができる。
また、熱電発電システム１０Ａでは、各熱電発電装置１を同一構成とすることができ、装置をモジュール化して、量産性を向上させることができる。
なお、均圧管８は、各熱電発電装置１の熱媒流路内の圧力を均圧化するものであって、熱媒体を循環させるための経路ではない。このため、均圧管８の延在方向に対して直交する最大断面は、熱媒流路の延在方向に対して直交する最小断面よりも小さく構成してもよい。また、各熱電発電装置１に対する均圧管８の接続位置は、特に限定されるものではないが、熱媒流路で凝縮されて相が液体に変化した熱媒体が流入しない位置であることが望ましい。
なお、実施の形態１では、４つの熱電発電装置１を用いた熱電発電システム１０Ａ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１０Ａは、１つ以上の熱電発電装置１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。
（実施の形態２）
［全体構成］
本発明の実施の形態２に係る熱電発電システムについて説明する。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７は、実施の形態２に係る熱電発電システム１０Ｂの概略構成を示す。
実施の形態２では、熱電発電システム１０Ｂが３つの熱電発電装置１を備え、高温流体から受ける熱量に応じて各熱電発電装置１の熱媒体の充填量を変え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、高温流体から受ける熱量が高い位置に伝熱管６が配置される熱電発電装置１の熱媒体の充填量が、高温流体から受ける熱量が低い位置に伝熱管６が配置される熱電発電装置１の熱媒体の充填量よりも小さくなるように構成されている。即ち、高温流体の流れ方向の上流側に伝熱管６が位置する熱電発電装置１は、循環流路７（図２参照）内の熱媒体の充填量が最も小さくなっている。また、高温流体の流れ方向の下流側に伝熱管６が位置する熱電発電装置１は、循環流路７（図２参照）内の熱媒体の充填量が最も大きくなっている。なお、各熱電発電装置１の循環流路は、容積が同一である。各熱電発電装置１の熱媒体の充填量は、例えば、高温流体の流れ方向の上流側に配置されるものから順に、充填総量の１０％、１５％、２０％である。
［効果］
実施の形態２に係る熱電発電システム１０Ｂによれば、以下の効果を奏することができる。
熱電発電システム１０Ｂでは、各熱電発電装置１が熱媒流路内で潜熱変化する熱媒体の凝縮温度を利用して発電するようにしているので、各熱電発電装置の発電量のバラツキを抑えることができる。また、各熱電発電装置１に、熱媒流路に連通する伝熱管６を設け、当該伝熱管６を高温流体が流れる同一の流路５内に配置しているので、各熱電発電装置１が受ける熱量のバラツキを抑えて、各熱電発電装置１の発電量のバラツキを抑えることができる。更に、高温流体から受ける熱量に応じて各熱電発電装置１の熱媒体の充填量を変えるように構成しているので、各熱電発電装置１の熱媒流路内の圧力を均一化して、各熱電発電装置１の発電量のバラツキを一層抑えることができる。
また、熱電発電システム１０Ｂでは、各熱電発電装置１を同一構成とすることができ、装置をモジュール化して、量産性を向上させることができる。
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記では、伝熱管６と加熱部３の内部空間７ａの熱媒流路とを直接的に接続するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図８及び図９に示すように、伝熱管６と熱媒流路とを取付部９を介して接続するように構成してもよい。この構成によれば、伝熱管６と熱媒流路との接続の自由度を向上させることができる。
また、取付部９は、図８及び図９に示すように、流路５の壁面に設けられ且つ伝熱管６が通過可能な開口部５ａを塞ぐように取り付けられるフランジ部９１を備えてもよい。この構成によれば、例えば、流路５の壁面に設けられる開口部５ａに伝熱管６を挿入することで、流路５内に伝熱管６を容易に配置することができるとともに、開口部５ａをフランジ部９１で塞ぐことができる。従って、熱電発電装置１を容易に流路５の壁面に取り付けることができる。なお、開口部５ａは、流路５内に伝熱管６を挿入可能であればよく、例えば、スリットであってもよい。なお、流路５の壁面は、例えば、流路５を形成する筒状の排ガスダクトの壁面である。
また、取付部９は、図１０及び図１１に示すように、伝熱管６と熱媒流路とを連通する着脱可能な連結管９２Ａ，９２Ｂを備えてもよい。この構成によれば、連結管９２Ａ，９２Ｂが着脱可能であることにより、例えば、流路５の壁厚や流路５の壁面に形成された断熱材１０１，１０２の厚さ等に応じて適当な長さの連結管９２Ａ，９２Ｂを用いることが可能になる。従って、熱電発電装置１の設置場所の自由度を向上させることができる。
また、取付部９は、図１２に示すように、加熱部３と冷却部４と熱電素子２とが流路５の壁面に沿う方向に延在するように曲げられた曲げ部９３を有してもよい。この構成によれば、熱電発電装置１の省スペース化を図ることができる。
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、各熱電発電装置の発電量のバラツキを抑え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複数の熱電発電装置を備える熱電発電システムに有用である。
１ 熱電発電装置
１０Ａ，１０Ｂ 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
５ａ 開口部
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
８ 均圧管
９ 取付部
９１
９２Ａ，９２Ｂ 連結管
９３ 曲げ部
１０１，１０２ 断熱材
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 熱媒体ライン
Ｌ４，Ｌ５ 冷却液ライン

Claims (4)

  1. 複数の熱電発電装置を備える熱電発電システムであって、
    各熱電発電装置は、
    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、
    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、
    前記各熱電発電装置の伝熱管は、高温流体が流れる同一の流路内に配置され、
    前記各熱電発電装置の循環流路は、容積が同一であり、
    前記高温流体から受ける熱量が高い位置に伝熱管が配置される熱電発電装置の循環経路内の熱媒体の充填量が、前記高温流体から受ける熱量が低い位置に伝熱管が配置される熱電発電装置の循環経路内の熱媒体の充填量よりも小さくなるように構成されている、
    熱電発電システム。
  2. 前記伝熱管と前記熱媒流路とは、取付部を介して接続され、
    前記取付部は、前記加熱部と前記冷却部と前記熱電素子とが前記流路の壁面に沿う方向に延在するように曲げられた曲げ部を有する、請求項１に記載の熱電発電システム。
  3. 前記各熱電発電装置の熱媒流路は、当該熱媒流路内の圧力が均一化されるように互いに均圧管によって連通するように構成されている、請求項１又は２に記載の熱電発電システム。
  4. 前記均圧管の延在方向に対して直交する最大断面は、前記熱媒流路の延在方向に対して直交する最小断面よりも小さい、請求項３に記載の熱電発電システム。
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