JP6785581B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、熱電発電装置に関する。
特許文献１には、熱電素子の高温側にエンジンの排ガスを熱源とする熱源部を設けると共に低温側に冷却水容器を設けることによって、温度差を利用して発電を行う熱電発電装置が開示されている。
特開２００５−８３２５１号公報
近年、熱電発電装置において、発電効率の向上が求められている。
本発明は、前記課題を解決するもので、発電効率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、
一方の面を加熱部に設けると共に他方の面を冷却部に設ける熱電素子を備える熱電発電装置であって、
高温流体が流れる流路に配置される伝熱管を備え、
前記加熱部と前記伝熱管とは、それぞれ互いに連通する内部空間を有し、
前記加熱部の内部空間と前記伝熱管の内部空間とは、熱媒体が循環する循環経路を形成し、
前記熱媒体が排出される前記伝熱管の出口は、前記熱媒体が流入する前記伝熱管の入口よりも高い位置に設けられ、
前記伝熱管の入口は、前記熱電素子の最下端部より低い位置に設けられ、
前記伝熱管は、前記高温流体の熱を利用して、前記循環経路を流れる前記熱媒体を蒸発させ、
前記加熱部は、蒸発した前記熱媒体を凝縮する。
以上のように、本発明の熱電発電装置によれば、発電効率を向上させることができる。
図１は、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。 図２は、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。 図３は、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。 図４は、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。 図５は、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。 図６は、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 図７は、本発明の実施の形態２に係る熱電発電装置の変形例の概略構成を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態３に係る熱電発電装置の概略構成を示す図である。 図９は、本発明の実施の形態３に係る熱電発電装置の変形例の概略構成を示す図である。 図１０は、本発明の実施の形態４に係る熱電発電装置熱電発電装置の概略構成を示す図である。
（発明者の知見）
本発明者らは、加熱部及び伝熱管の内部に形成された循環経路に熱媒体を封入し、熱媒体の蒸発と凝縮とを交互に行うことにより熱媒体を自然循環させることによって、熱電素子を加熱する熱電発電装置を開発している。このような構成の熱電発電装置においては、凝縮後の液体の熱媒体が加熱部内に滞留する。本発明者らは、加熱部内に滞留した液体の熱媒体が熱電素子への熱抵抗を増大させ、熱電素子による発電を阻害するという課題を新たに見出した。そこで、本発明者らは、この課題を解決するため、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、
一方の面を加熱部に設けると共に他方の面を冷却部に設ける熱電素子を備える熱電発電装置であって、
高温流体が流れる流路に配置される伝熱管を備え、
前記加熱部と前記伝熱管とは、それぞれ互いに連通する内部空間を有し、
前記加熱部の内部空間と前記伝熱管の内部空間とは、熱媒体が循環する循環経路を形成し、
前記熱媒体が排出される前記伝熱管の出口は、前記熱媒体が流入する前記伝熱管の入口よりも高い位置に設けられ、
前記伝熱管の入口は、前記熱電素子の最下端部より低い位置に設けられ、
前記伝熱管は、前記高温流体の熱を利用して、前記循環経路を流れる前記熱媒体を蒸発させ、
前記加熱部は、蒸発した前記熱媒体を凝縮する。
このような構成により、凝縮した熱媒体が加熱部の内部空間に滞留することを抑制することができるため、凝縮した熱媒体による熱電素子への熱抵抗の増大を抑制することができる。その結果、凝縮した熱媒体により熱電素子の発電が阻害されないため、発電効率を向上させることができる。
前記加熱部の底部に、前記加熱部の内部空間を流れる前記熱媒体を前記加熱部の出口に向かって流す勾配が設けられてもよい。
このような構成により、加熱部の内部空間を流れる凝縮した熱媒体が加熱部の出口へ流れるため、加熱部の内部空間で凝縮した熱媒体を伝熱管へ排出し易い。このため、凝縮した熱媒体が加熱部の内部に滞留することを抑制し、熱電素子への熱抵抗の増大を更に抑制することができる。
前記加熱部の出口は、前記伝熱管の入口よりも高い位置に設けられてもよい。
このような構成により、加熱部で凝縮された熱媒体を伝熱管へ排出しやすくなる。これにより、凝縮した熱媒体が加熱部の内部空間に滞留することを抑制することができる。このため、凝縮した熱媒体による熱電素子への熱抵抗の増大を抑制することができ、凝縮された熱媒体に阻害されることなく熱電素子が発電を行うことができる。
更に、前記加熱部の下部に、前記加熱部で凝縮された熱媒体を貯留する液溜まりを備え、
前記液溜まりは、前記加熱部の出口と前記伝熱管の入口とに接続されてもよい。
このような構成により、加熱部の内部空間で凝縮した熱媒体を液溜まりへ流すことができるため、凝縮した熱媒体が加熱部の内部空間に滞留することを抑制することができる。このため、凝縮した熱媒体による熱電素子への熱抵抗の増大を抑制することができ、凝縮された熱媒体に阻害されることなく熱電素子が発電を行うことができる。
前記液溜まりの底部に、前記伝熱管の入口に向かって前記熱媒体が流れる勾配が設けられてもよい。
このような構成により、液溜まりに貯留されている熱媒体を伝熱管へ排出し易くなる。このため、凝縮した熱媒体が加熱部内に滞留することを容易に抑制することができる。
前記加熱部の底部に、前記加熱部の出口を複数設け、
前記加熱部の下部に、前記加熱部の複数の出口と前記伝熱管の入口とを接続する接続管が設けられてもよい。
このような構成により、加熱部で凝縮した熱媒体を、加熱部の底部に設けられた複数の出口から接続管を通じて伝熱管の入口へ流すことができるため、熱媒体が加熱部の内部に滞留することを抑制することができる。このため、凝縮した熱媒体による熱電素子への熱抵抗の増大を抑制することができ、凝縮された熱媒体に阻害されることなく熱電素子が発電を行うことができる。
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１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１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１に示すように、熱電発電装置１Ａは、一方の面を加熱部３に設けると共に他方の面を冷却部４に設ける熱電素子２を備える。また、熱電発電装置１Ａは、高温流体が流れる流路５に配置される伝熱管６を備える。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９ａ、９ｂを有しており、内部空間９ａ、９ｂは、熱媒体が循環する循環経路９を形成している。熱媒体が排出される伝熱管６の出口６ｂは、熱媒体が流入する伝熱管６の入口６ａよりも高い位置に設けられている。伝熱管６の入口６ａは、熱電素子２の最下端部より低い位置に設けられている。
実施の形態１では、加熱部３と伝熱管６とは、伝熱管６から加熱部３へ熱媒体を流入する第１接続管７と加熱部３から伝熱管６へ熱媒体を排出する第２接続管８とを介して接続されている。また、加熱部３及び伝熱管６は、Ｙ方向から見て、重力方向に傾斜している。
＜熱電素子＞
熱電素子２は、加熱部３に設けられる一方の面（高温側）と、冷却部４に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共に冷却部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２０が、加熱部３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２０が、加熱部３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に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と伝熱管６とは、それぞれ互いに連通する内部空間９ａ、９ｂを有している。加熱部３の内部空間９ａと伝熱管６の内部空間９ｂには、熱媒体が封入されている。また、加熱部３の内部空間９ａと伝熱管６の内部空間９ｂは、熱媒体が循環する循環経路９を形成している。実施の形態１では、加熱部３は、第１接続管７及び第２接続管８を介して伝熱管６と接続されている。第１接続管７及び第２接続管８は、循環経路９の一部を構成している。
伝熱管６は、流路５を流れる高温流体の熱を利用して、循環経路９の一部である内部空間９ｂ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９ｂで蒸発した熱媒体を凝縮する。即ち、加熱部３は、熱媒体を凝縮する熱媒体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、加熱部３の内部には、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な熱媒体流路が形成されている。具体的には、第１接続管７を介して伝熱管６から熱媒体が流入する入口３ａを加熱部３の上部に設け、第２接続管８を介して伝熱管６へ熱媒体を排出する出口３ｂを加熱部３の下部に設けている。即ち、加熱部３の入口３ａは加熱部３の内部空間９ａの上流側に接続され、加熱部３の出口３ｂは加熱部３の内部空間９ｂの下流側に接続される。加熱部３の内部空間９ａには、循環経路９の一部として、Ｚ方向に延在する複数の熱媒体流路が形成されている。なお、加熱部３の内部空間９ａの熱媒体流路は、熱媒体が重力方向に流れればよく、例えば、Ｘ方向などに傾斜していてもよい。
加熱部３の底部には、加熱部３の内部空間９ａを流れる熱媒体を、加熱部３の出口３ｂに向かって流す勾配が設けられている。具体的には、加熱部３の内部空間９ａ内の熱媒体を、第２接続管８を介して伝熱管６の入口６ａへ流すことができるように、加熱部３の底部は所定の角度θの勾配を有する。所定の角度θは、凝縮された熱媒体が加熱部３の出口３ｂに向かって流れるように、Ｙ方向から見て加熱部３を重力方向に傾斜させた角度である。このように、Ｙ方向から見て、伝熱管６側に位置する加熱部３の下端が、伝熱管６の反対側に位置する加熱部３の下端よりも低くなるように加熱部３を重力方向に傾斜させることで、凝縮した熱媒体が加熱部３内部に滞留せずに、第２接続管８を介して伝熱管６へ排出される。
＜伝熱管＞
伝熱管６は、高温流体が流れる流路５に配置され、高温流体の熱を利用して循環経路９を流れる熱媒体を蒸発させるものである。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。
実施の形態１において、流路５において、伝熱管６の一端側の管状部材６１は、他端側の管状部材６１と比べて長く構成されている。これにより、伝熱管６は、重力方向に傾斜して配置される。なお、伝熱管６の一端側の管状部材６１とは、高さ方向（Ｚ方向）において最も高い位置に配置される管状部材を意味する。伝熱管６の他端側の管状部材６１とは、高さ方向（Ｚ方向）において最も低い位置に配置される管状部材を意味する。
伝熱管６の入口６ａ及び出口６ｂは、流路５を画定する壁部に設けられている。具体的には、伝熱管６の入口６ａは、他端側の管状部材６１と流路５の壁部とが接続される箇所に設けられる。また、伝熱管６の出口６ｂは、一端側の管状部材６１と流路５の壁部とが接続される箇所に設けられる。このように、伝熱管６の出口６ｂは、入口６ａよりも高い位置に設けられる。
伝熱管６の入口６ａは、熱電素子２の最下端部より低い位置に設けられている。実施の形態１では、伝熱管６の入口６ａは、熱電モジュール２０のうち最も低い位置に配置される熱電素子２の最下端部よりも低い位置に設けられる。
＜第１接続管＞
第１接続管７は、伝熱管６から加熱部３へ熱媒体を流入する配管である。第１接続管７の内部には、熱媒体が流れる熱媒体流路が形成されている。第１接続管７の一端は、伝熱管６の出口６ｂに接続される。第１接続管７の他端は、加熱部３の入口３ａに接続される。
＜第２接続管＞
第２接続管８は、加熱部３から伝熱管６へ熱媒体を排出する配管である。第２接続管８の内部には、熱媒体が流れる熱媒体流路が形成されている。第２接続管８の一端は、伝熱管６の入口６ａに接続される。第２接続管８の他端は、加熱部３の出口３ｂに接続される。
実施の形態１では、流路５は、図１に示すように矩形の排ガスダクトを例として用いているため、流路５の壁面は平坦に形成されている。伝熱管６の入口６ａと出口６ｂとは、流路５の平坦な壁面（Ｚ方向に平行な面）に設けられている。第１接続管７は、伝熱管６の一端側の管状部材６１の延在方向と同じ方向に延びており、第２接続管８は、伝熱管６の他端側の管状部材６１の延在方向と同じ方向に延びている。また、第２接続管８の長手方向（Ｘ方向）の長さは、第１接続管７の長手方向（Ｘ方向）の長さよりも長く形成されている。このため、第２接続管８の設けられている部分における加熱部３と流路５との間の距離（以下、「離間距離」と称する）が、第１接続管７の設けられている部分に比べて長くなる。このような構成により、加熱部３は、重力方向に傾斜させることができる。加熱部３を重力方向に傾斜させることによって、加熱部３の底部に熱媒体が加熱部３の出口３ｂに向かって流れる勾配を設けることができる。
＜循環経路＞
循環経路９は、加熱部３の内部空間９ａと伝熱管６の内部空間９ｂとを連通して形成される。熱媒体は、加熱部３の内部空間９ａと伝熱管６の内部空間９ｂとを循環している。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の内部空間９ｂを流れる熱媒体が液体から蒸気になる。即ち、伝熱管６内部において、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の一端側の管状部材６１から第１接続管７を通って加熱部３の内部空間９ａの熱媒体流路の上流側に流入する。加熱部３の内部空間９ａの熱媒体流路の上流側に流入した蒸気は、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９ａにおいて、熱媒体は、気体から液体へと相変化する。凝縮された熱媒体は、加熱部３の熱媒体流路の下流側に接続された第２接続管８を通って伝熱管６の他端側の管状部材６１へ排出される。伝熱管６の内部空間９ｂに排出された熱媒体は、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と伝熱管６と第１接続管７と第２接続管８との内部に形成された循環経路９を熱媒体が自然循環する。言い換えると、加熱部３と伝熱管６と第１接続管７と第２接続管８とで形成される循環経路９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９ａと伝熱管６の内部空間９ｂとで熱媒体が循環する循環経路９を形成し、伝熱管６の出口６ｂを伝熱管６の入口６ａよりも高い位置に設け、伝熱管６の入口６ａを熱電素子２の最下端部より低い位置に設けている。このような構成により、凝縮した熱媒体が加熱部３の内部空間９ａに滞留することなく、加熱部３から伝熱管６へ排出される。このため、熱電発電装置１Ａでは、凝縮した熱媒体による熱電素子２への熱抵抗の増大を抑制することができ、凝縮された熱媒体に阻害されることなく熱電素子２が発電を行うことができる。その結果、熱電発電装置１Ａによれば、発電効率を向上させることができる。
熱電発電装置１Ａは、加熱部３の底部に、加熱部３の内部空間９ａを流れる熱媒体を加熱部３の出口３ｂに向かって流す勾配を設けている。このような構成により、加熱部３の内部空間９ａの下流側に流れてきた凝縮された液体の熱媒体が加熱部３の出口３ｂから伝熱管６へ排出されやすくなる。また、実施の形態１では、伝熱管６を重力方向に傾斜させることによって、熱媒体が伝熱管６へ更に排出されやすくなっている。
熱電発電装置１Ａによれば、加熱部３の内部空間９ａと伝熱管６の内部空間９ｂとで形成された循環経路９において、熱媒体を相変化により循環させることができる。このため、ポンプ等の動力を用いずとも、熱媒体を循環させることができ、装置の低コスト化及び小型化を実現することができる。また、熱媒体と冷却液として水を用いることにより、熱媒体と冷却液とを貯留するタンク１３を共用することができるため、更に装置の低コスト化及び小型化を実現することができる。
なお、実施の形態１では、熱電素子２は、加熱部３の一方の面に設ける例について説明したが、これに限られない。例えば、熱電素子２は、加熱部３の両面に設け、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もよい。このような構成により、加熱部３の両面の熱を利用して、熱電素子２による発電を行うことができるため、発電効率を更に向上させることができる。
実施の形態１では、加熱部３及び伝熱管６を重力方向に傾斜させる例について説明したが、これに限定されない。熱電発電装置１Ａは、加熱部３の出口３ｂを熱電素子２の最下端部より低い位置に設けていればよく、例えば、加熱部３を重力方向に傾斜させる一方、伝熱管６を傾斜させなくてもよい。
実施の形態１では、第１接続管７が伝熱管６の一端側の管状部材６１の延在方向に延びる例、及び第２接続管が伝熱管６の他端側の管状部材６１の延在方向に延びる例について説明したが、これらに限定されない。第１接続管７及び第２接続管８は、伝熱管６の管状部材６１の延在方向と異なる方向に延びていてもよい。
実施の形態１では、加熱部３と伝熱管６とが、第１接続管７及び第２接続管８を介して接続される例について説明したが、これに限定されない。熱電発電装置１Ａでは、第１接続管７及び第２接続管８は必須の構成要素ではなく、例えば、加熱部３と伝熱管６とは、第１接続管７及び第２接続管８を介さずに直接接続されてもよい。また、加熱部３と伝熱管６とは、第１接続管７及び第２接続管８と異なる要素を介して接続されてもよい。
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、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。
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、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９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。
（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、屈曲させた第２接続管８を加熱部３の出口３ｂと伝熱管６の入口６ａとに接続することによって、加熱部３の出口３ｂを伝熱管６の入口６ａよりも高い位置に設けている点が、実施の形態１と異なる。
図６に示すように、熱電発電装置１Ｂでは、屈曲させた第２接続管８を用いて、加熱部３の出口３ｂを伝熱管６の入口６ａよりも高い位置に設けている。実施の形態２では、第２接続管８は、伝熱管６の延在方向（Ｘ方向）に延びる第２接続管８を高さ方向（Ｚ方向）に屈曲させることによって、加熱部３の出口３ｂに接続している。実施の形態２では、加熱部３の出口３ｂは、熱電素子２の最下端部より低い位置の加熱部３の側部に設けられている。なお、加熱部３の出口３ｂは、熱電素子２の最下端部より低い位置であればよく、例えば、加熱部３の底部に接続されてもよい。
実施の形態２では、第２接続管８は、伝熱管６の延在方向（Ｘ方向）に延びる第２接続管８を上方向（Ｚ方向）へ直角に曲げた後、更にＸ方向へ曲げることによって形成されている。このように屈曲した形状の第２接続管８により、加熱部３の出口３ｂを伝熱管６の入口６ａよりも高い位置に設けることができる。なお、実施の形態２では、第１接続管７は、第２接続管８と同様の形状のものを使用することができる。
［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、加熱部３の出口３ｂが、伝熱管６の入口６ａよりも高い位置に設けられている。このような構成により、Ｙ方向から見て、伝熱管６の最下端から熱媒体の液面までの距離（液面高さ）Ｈよりも伝熱管６の最下端から加熱部３の出口３ｂまでの距離ｈを大きくすることができる。なお、本明細書では、熱媒体の液面とは、伝熱管６内を流れる液体の熱媒体と蒸気の熱媒体との境界面を意味する。
このような構成により、加熱部３の内部空間９ａで凝縮された熱媒体が、第２接続管８を介して伝熱管６へ排出されやすくなる。これにより、凝縮した熱媒体が加熱部３の内部空間９ａに滞留することを抑制することができる。このため、凝縮した熱媒体による熱電素子２への熱抵抗の増大を抑制することができ、凝縮された熱媒体に阻害されることなく熱電素子２が発電を行うことができる。その結果、熱電発電装置１Ｂによれば、発電効率を向上させることができる。
熱電発電装置１Ｂによれば、第１接続管７と第２接続管８とを同様の形状のものを使用することができるため、製造コストを低減することができる。
なお、実施の形態２では、Ｚ方向に直角に屈曲させた形状の第２接続管８について説明したが、これに限定されない。熱電発電装置１Ｂは、加熱部３の出口３ｂが伝熱管６の入口６ａよりも高い位置に設けられていればよく、第２接続管８の形状は限定されない。例えば、第２接続管８は、加熱部３の出口３ｂから伝熱管６の入口６ａに向かって、斜めに延びるような形状、又は円弧形状等であってもよい。
実施の形態２では、第１接続管７は、第２接続管８と同様の形状である例について説明したが、これに限定されない。第１接続管７は、伝熱管６の出口６ｂと加熱部３の入口３ａとを接続するものであればよく、その形状は限定されない。
図７は、熱電発電装置１Ｂの変形例の概略構成を示す。図７に示すように、加熱部３の底部に、加熱部３の出口３ｂに向かって熱媒体を流す勾配が設けられていてもよい。即ち、実施の形態２では、実施の形態１と同様に、Ｙ方向から見て、伝熱管６側に位置する加熱部３の下端が、伝熱管６の反対側に位置する加熱部３の下端よりも低くなるように加熱部３を重力方向に傾斜させてもよい。このような構成により、加熱部３で凝縮した熱媒体が加熱部３の出口３ｂへ向かって流れやすくなり、凝縮した熱媒体を伝熱管６へ簡単に排出することができる。
（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２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２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２と重複する記載は省略する。
図８は、実施の形態３に係る熱電発電装置１Ｃの概略構成を示す。
実施の形態３では、加熱部３の下部に、加熱部３で凝縮された熱媒体を貯留する液溜まり３０ａを備える点が、実施の形態２と異なる。
図８に示すように、熱電発電装置１Ｃは、加熱部３の下部に液溜まり３０ａを備えている。液溜まり３０ａは、加熱部３で凝縮された液体の熱媒体を貯留するタンクである。液溜まり３０ａは、加熱部３の出口３ｂと接続されている。また、液溜まり３０ａは、第２接続管８を介して伝熱管６の入口６ａと接続されている。
実施の形態３では、加熱部３の出口３ｂは、加熱部３の底部に設けられており、液溜まり３０ａの上部に接続されている。また、伝熱管６の入口６ａは、伝熱管６の延在方向（Ｘ方向）に延びる第２接続管８を介して、液溜まり３０ａの側部に接続されている。これにより、伝熱管６の入口６ａを液溜まり３０ａの上面３０ａａと下面３０ａｂとの間に配置することができる。即ち、液溜まり３０ａが、伝熱管６内の熱媒体の液面高さＨ付近に配置される。
このように、加熱部３の出口３ｂと伝熱管６の入口６ａとは、液溜まり３０ａと第２接続管８とを介して接続されている。このため、液溜まり３０ａは、加熱部３の下部において、加熱部３の出口３ｂから流入する液体の熱媒体を貯留し、貯留した熱媒体を、第２接続管８を介して伝熱管６の入口６ａに排出することができる。即ち、液溜まり３０ａは、循環経路９の一部を構成している。
［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の下部に、加熱部３で凝縮された熱媒体を貯留する液溜まり３０ａを備えている。このような構成により、加熱部３で凝縮した熱媒体を液溜まり３０ａへ流すことができるため、加熱部３の内部空間９ａに熱媒体が滞留することを抑制することができる。このため、凝縮した熱媒体による熱電素子２への熱抵抗の増大を抑制することができ、熱電素子２が凝縮された熱媒体に阻害されることなく発電を行うことができる。その結果、熱電発電装置１Ｃによれば、発電効率を向上させることができる。
熱電発電装置１Ｃによれば、伝熱管６の入口６ａは、伝熱管６の延在方向（Ｘ方向）に延びる第２接続管８を介して、液溜まり３０ａの側部に接続されている。このような構成により、液溜まり３０ａを伝熱管６の内部空間９ｂを流れる凝縮した熱媒体の液面高さ付近に液溜まり３０ａを配置することができる。このため、液溜まり３０ａ内に貯留した熱媒体が伝熱管６の内部空間９ｂに流入しやすくなり、加熱部３の内部空間９ａに凝縮した熱媒体が滞留することを抑制することができる。
なお、実施の形態３では、第２接続管８を液溜まり３０ａの側部に接続する例について説明したが、これに限定されない。液溜まり３０ａは、少なくとも液溜まり３０ａの上面３０ａａが伝熱管６の入口６ａよりも高い位置も配置されていればよい。例えば、液溜まり３０ａを更に高い位置に配置して、液溜まり３０ａの下面３０ａｂに第２接続管８が接続されてもよい。この場合、第２接続管８は、上方向（Ｚ方向）に屈曲して液溜まり３０ａの底部の下面３０ａｂに接続される。このような構成により、液溜まり３０ａから伝熱管６へ熱媒体を排出し易くなると共に、伝熱管６から液溜まり３０ａへ熱媒体が逆流することを抑制することができる。
実施の形態３では、加熱部３の出口３ｂは、加熱部３の底部に設けられる例について説明したが、これに限定されない。加熱部３の出口３ｂは、熱電素子２の最下端部よりも低い位置に設けられていればよく、加熱部３の側部に設けられていてもよい。また、加熱部３の出口３ｂと液溜まり３０ａとは、直接接続されてもよいし、配管などの要素を介して接続されてもよい。
図９は、熱電発電装置１Ｃの変形例の概略構成を示す。図９に示すように、液溜まり３０ｂの底部に、伝熱管６の入口６ａに向かって熱媒体を流す勾配が設けられていてもよい。このような構成により、液溜まり３０ｂに貯留されている熱媒体が伝熱管６へ排出されやすくなる。これにより、凝縮した熱媒体が加熱部３の内部空間９ａに滞留することを抑制することができる。
（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２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２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２と重複する記載は省略する。
図１０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、加熱部３の底部に複数の出口３ｂを設けている点が、実施の形態２と異なる。
図１０に示すように、熱電発電装置１Ｄは、加熱部３の底部に複数の出口３ｂを設けている。加熱部３の複数の出口３ｂは、加熱部３の下部において第２接続管８ａと接続されている。
実施の形態４では、４つの出口３ｂが加熱部３の底部に設けられている。また、第２接続管８ａは、伝熱管６の入口６ａからＸ方向に延び、加熱部３の下部において、複数の配管に分岐している。複数の配管は、上方向（Ｚ方向）に延びて加熱部３の複数の出口３ｂのそれぞれに接続されている。
実施の形態４では、加熱部３の複数の出口３ｂは、伝熱管６の入口６ａよりも高い位置に設けられている。このため、第２接続管８ａの他端側で分岐する複数の配管の高さ（Ｚ方向の高さ）は、伝熱管６の内部空間９ｂを流れる凝縮した熱媒体の液面高さＨよりも高くなっている。
［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の底部に複数の出口３ｂを設け、加熱部３の複数の出口３ｂが伝熱管６の入口６ａよりも高い位置に設け、加熱部３の下部に設けられた第２接続管８ａによって加熱部３の複数の出口３ｂと伝熱管６の入口６ａとを接続している。このような構成により、加熱部３で凝縮した熱媒体を、加熱部３の複数の出口３ｂから第２接続管８ａを通して伝熱管６の入口６ａへ流すことができるため、熱媒体が加熱部３内部に滞留することを抑制することができる。このため、凝縮した熱媒体による熱電素子２への熱抵抗の増大を抑制することができ、熱電素子２が凝縮された熱媒体に阻害されることなく発電を行うことができる。その結果、熱電発電装置１Ｄによれば、発電効率を向上させることができる。
なお、実施の形態４では、加熱部３の底部に４つの出口３ｂを設けた例について説明したが、これに限定されない。加熱部３の底部に２つ以上の出口３ｂが設けられていればよい。また、加熱部３の複数の出口３ｂの一部は、加熱部３の側部に設けられていてもよい。
実施の形態４では、第２接続管８の他端側に設けられた複数の配管は、例えば、屈曲した形状、又は円弧形状であってもよい。
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、加熱部及び熱源部の内部に形成された循環経路に熱媒体を循環させ、熱媒体の蒸発と凝縮とを交互に行うことにより熱電素子を加熱する熱電発電装置に有用である。
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 熱電発電装置
２ 熱電素子
３ 加熱部
３ａ 入口
３ｂ 出口
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
６ａ 入口
６ｂ 出口
６１ 管状部材
６２ 曲げ部
７ 第１接続管
８、８ａ 第２接続管
９ 循環経路
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
２０ 熱電モジュール
３０ａ、３０ｂ 液溜まり
３０ａａ 上面
３０ａｂ 下面
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 熱媒体ライン
Ｌ４、Ｌ５ 冷却液ライン

Claims (7)

  1. 一方の面を加熱部の外側に設けると共に他方の面を冷却部に設ける熱電素子を備える熱電発電装置であって、
    高温流体が流れる流路に配置される伝熱管を備え、
    前記加熱部と前記伝熱管とは、それぞれ互いに連通する内部空間を有し、
    前記加熱部の内部空間と前記伝熱管の内部空間とは、熱媒体が循環する循環経路を形成し、
    前記熱媒体が排出される前記伝熱管の出口は、前記熱媒体が流入する前記伝熱管の入口よりも高い位置に設けられ、
    前記伝熱管の入口は、前記熱電素子の最下端部より低い位置に設けられ、
    前記伝熱管は、前記高温流体の熱を利用して、前記循環経路を流れる前記熱媒体を蒸発させ、
    前記加熱部は、蒸発した前記熱媒体を凝縮する、熱電発電装置。
  2. 前記加熱部の底部に、前記加熱部の内部空間を流れる前記熱媒体を前記加熱部の出口に向かって流す勾配が設けられた、請求項１に記載の熱電発電装置。
  3. 前記加熱部の出口は、前記伝熱管の入口よりも高い位置に設けられた、請求項１又は２に記載の熱電発電装置。
  4. 更に、前記加熱部の下部に、前記加熱部で凝縮された熱媒体を貯留する液溜まりを備え、
    前記液溜まりは、前記加熱部の出口と前記伝熱管の入口とに接続される、請求項３に記載の熱電発電装置。
  5. 前記液溜まりの底部に、前記伝熱管の入口に向かって前記熱媒体を流す勾配が設けられた、請求項４に記載の熱電発電装置。
  6. 前記加熱部の底部に、前記加熱部の出口を複数設け、
    前記加熱部の下部に、前記加熱部の複数の出口と前記伝熱管の入口とを接続する接続管が設けられた、請求項３に記載の熱電発電装置。
  7. 前記加熱部は板状に形成されており、前記熱媒体が通過する前記内部空間を有している、請求項１に記載の熱電発電装置。
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