JP7010620B2 - 熱電発電装置 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載の熱電発電装置は、熱処理炉で使用済みのガスを排気するにあたり、このガスを燃料としてガスバーナにて燃焼させ、その火炎により金属製の受熱板を加熱し、冷却板を冷却水で冷却している。熱電発電モジュールは、受熱板および冷却板の温度差からゼーベック効果により電力を発生させ、電気に変換している。
また、特許文献2に記載の熱発電装置では、湯沸かし器の火炎の熱を加熱プレートに吸収する吸熱手段として、加熱プレートの加熱面上にフィンが設けられた技術が開示されている。
また、特許文献2に記載の技術によれば、吸熱手段により吸熱効果を向上させることは可能であるが、熱処理炉等から噴出する火炎は不規則であり、フィンを設けるだけでは、受熱板で確実に熱を吸収することが困難であるという課題がある。
火炎および高温の燃焼ガスを受ける受熱面を有する受熱板と、
前記受熱面とは反対側の面に配置される熱電発電モジュールと、
前記熱電発電モジュールの前記受熱板が配置される面とは反対側の面に配置される冷却板と、
前記受熱面を覆うように設けられ、火炎および高温の燃焼ガスを導入する熱導入口、前記熱導入口から導入され、温度の低下した燃焼ガスを排出する熱排出口を有するカバー部材と、
前記受熱面上に設けられ、前記熱導入口に応じた位置に配置され、前記熱導入口から導入された燃焼ガスを前記受熱面に沿って拡散する拡散部材と、
前記拡散部材を囲むように、前記受熱面上に設けられ、前記拡散部材により拡散された高温の燃焼ガスの熱を吸収する吸熱部材と、
を備えていることを特徴とする。
また、拡散部材を備えていることにより、熱導入口から導入された熱気を受熱面に沿って拡散することができるため、受熱板で均一に熱を吸収することができる。そして、吸熱部材が拡散部材を囲むように配置されることにより、拡散部材により拡散された燃焼ガスの熱エネルギーを吸熱部材により、効率的に受熱板に伝達することができる。
したがって、火炎が不規則、不均一に噴出されても、受熱板を均一かつ効率的に加熱することができる。
[1]熱電発電装置1が適用される熱処理炉100
図1には、本実施形態に係る熱電発電装置1を適用した、ガス浸炭炉等の熱処理炉100が示されている。熱処理炉100で使用済みのガスを排気するにあたり、排気口101から排出されるガスを燃料として、パイロットバーナ103にて着火、燃焼させ、排気ダクト102を通して排気している。
排気ダクト102の下方には、着火用のパイロットバーナ103が設けられ、排気口101の火炎が届く位置に熱電発電装置1が配置されている。熱電発電装置1は、排気口101からの火炎で炙られることにより、ガス燃焼時の熱エネルギーを電気に変換している。なお、熱電発電装置1は、高温の火炎で炙られる部位に設けられればよく、熱処理炉100に適用される場合に限らない。
図2から図4には、熱電発電装置1の構造が示されている。図2は上部から見た斜視図であり、図3は下部から見た斜視図であり、図4は断面図である。
熱電発電装置1は、熱電発電装置本体2、上カバー部材3、および下カバー部材4を備える。熱電発電装置1は、上カバー部材3によって熱電発電装置本体2の上部に排気口101の火炎と燃焼ガスが回り込むのを防止し、下カバー部材4によって排気口101の火炎および高温の燃焼ガスを熱電発電装置本体2に導いている。
熱電発電装置本体2は、冷却板5、受熱板6、および熱電発電モジュール7を備える。
冷却板5は、熱電発電モジュール7を冷却する冷却手段であり、たとえばアルミニウム製の矩形厚板板状体から構成される。
冷却板5の内部には、図4に示すように、内部に冷却水が流通する冷却回路5Aが形成され、冷却回路5A内部に冷却水が流通すると、冷却板5は、全体が20℃から40℃程度に冷却維持される。冷却回路5Aには、冷却水の供給管路5B、および戻し管路5Cが接続され、供給管路5Bから冷却水が供給され、冷却回路5Aで冷却板5の冷却を行った後、戻し管路5Cから排出される。
受熱板6には、受熱面6Aとは反対側の面に、複数の雌ねじ孔6Bが形成されている。また、受熱板6の内部には、ヒートパイプ6Cが2箇所設けられ、受熱面6Aには、複数の雌ねじ孔6Dが形成されている。
ヒートパイプ6Cは、受熱面6Aで受けた熱を受熱板6内で均熱化する均熱化部材として機能する。具体的には、ヒートパイプ6Cは、内壁に毛細管構造を形成した金属パイプの内部を負圧にし、作動液として少量の水を封入したものである。蒸発潜熱により熱エネルギーを吸収すると、作動液が蒸発して低温部へ移動し、管壁に接触して凝縮潜熱による熱の放出が行われ、これを繰り返すことにより、熱エネルギーを効率的に移動させる。
基板71は、セラミックやポリイミド製のフィルムなどから構成され、高温側および低温側に一対有し、互いに対向配置されている。
電極72は、それぞれの基板71の対向面に形成され、銅等の金属材料から構成される。
P型の熱電素子7PおよびN型の熱電素子7Nの端面は、電極72に半田接合され、熱電発電モジュール7は、P型の熱電素子7PおよびN型の熱電素子7Nが交互に直列に接続された回路を形成する。
受熱板6および熱電発電モジュール7の基板71の間には、カーボンシート73が介装される。冷却板5および基板71の間にも、カーボンシート73が介装される。カーボンシート73は、受熱板6から伝熱された熱を基板71に伝熱するとともに、上側の基板71の熱を冷却板5に伝導する伝熱層として機能する。
第1締結部材8は、図4に示すように、ボルト8A、受け部材8Bおよびコイルばね8Cを備える。ボルト8Aは、冷却板5、熱電発電モジュール7およびカーボンシート73を貫通して、受熱板6の雌ねじ孔6Bに螺合する。
コイルばね8Cは、受け部材8Bの外周部分に挿入され、ボルト8Aが受熱板6の雌ねじ孔6Bに螺合したときに、受け部材8Bのフランジによって挿入方向に圧縮され、冷却板5を受熱板6側に付勢する。
第2締結部材9は、受熱板6および冷却板5を外周端部で締結する部材であり、第1締結部材8と略同様の構成とされ、ボルト9A、受け部材9B、およびコイルばね9Cを備える。
上カバー部材3は、後述する下カバー部材4の熱排出口4Bから排出された火炎と燃焼ガスが、冷却板5の上面に配置された部品に回り込むことを防止するために設けられ、冷却板5を覆う金属製の箱状体から構成される。上カバー部材3の側面には、冷却水の供給管路5Bおよび戻し管路5Cを引き通すための開口3Aが形成されている。
下カバー部材4は、排気口101から噴出される火炎および高温の燃焼ガスを受熱板6の受熱面6Aに導くために設けられ、受熱板6の受熱面6Aを覆う金属製の箱状体から構成される。下カバー部材4の箱状体の底面には、円形状の熱導入口4Aが1つ形成され、下カバー部材4の箱状体の側面には、矩形状の熱排出口4Bが複数形成されている。
熱排出口4Bは、熱導入口4Aから導入された火炎および高温の燃焼ガスが受熱板6を加熱した後、温度の低下した燃焼ガスを外部に排出するために形成されている。熱排出口4Bは、下カバー部材4の四周の側面のそれぞれに複数形成され、下カバー部材4の側面に縦長の矩形孔として形成されている。なお、本実施形態では、縦長の矩形孔として熱排出口4Bを形成しているが、これに限らず、横長の矩形孔を複数形成してもよいし、また、長円孔で形成してもよい。
前述した受熱板6の受熱面6Aには、図3および図4に示すように、拡散部材10および吸熱部材11が設けられている。
拡散部材10は、下カバー部材4の熱導入口4Aから導入された火炎および高温の燃焼ガスの熱エネルギーを吸収するとともに、燃焼ガスを受熱板6の外周に拡散する部材であり、下カバー部材4の熱導入口4Aの位置に応じた受熱板6の受熱面6A上に設けられる。本実施形態では、熱導入口4Aが、受熱面6Aの略中央に配置されているため、拡散部材10は、受熱面6Aの略中央に配置される。
ベース10Aは、アルミニウム等の熱伝導性の良好な矩形状の金属板から構成され、受熱板6の受熱面6Aに熱伝導性接着剤を介して密着している。ベース10Aは、受熱面6Aに形成された雌ねじ孔6Dにボルトを螺合することより、受熱面6A上に固定されている。
拡散部10Bは、ベース10Aの面外方向に起立する複数の金属製の柱状体から構成され、ベース10Aと一体に形成される。拡散部10Bは、熱導入口4Aから導入された燃焼ガスを、受熱板6の外周に拡散するとともに、自身も火炎で熱せられると同時に、燃焼ガスの熱エネルギーを吸収する吸熱部材としても機能する。
吸熱部材11は、拡散部材10によって拡散された燃焼ガスの熱エネルギーを吸収する部材であり、ベース11Aおよび吸熱部11Bを備える。
ベース11Aは、拡散部材10と同様に、アルミニウム等の熱伝導性の良好な矩形状の金属板から構成され、受熱板6の受熱面6Aに熱伝導性接着剤を介して密着している。ベース11Aは、受熱面6Aに形成された雌ねじ孔6Dにボルトを螺合することにより、受熱面6A上に固定されている。
吸熱部11Bは、ベース11Aの面外方向に起立する複数の金属製の柱状体から構成され、ベース11Aと一体に形成される。なお、本実施形態では、吸熱部11Bの高さは、拡散部材10の拡散部10Bよりも低い高さに設定されているが、同じ高さ、あるいは高く設定してもよい。吸熱部11Bは、拡散部材10の拡散部10Bによって拡散された高温の燃焼ガスにより加熱されて、燃焼ガスの熱エネルギーを吸収する。
このような構造の熱電発電装置1では、排気口101から火炎が噴出されると、下カバー部材4の熱導入口4Aに火炎および高温の燃焼ガスが導入される。導入された火炎および高温の燃焼ガスは、拡散部材10の拡散部10Bを加熱するとともに、図6の矢印に示すように、受熱面6Aに沿って受熱板6の外周方向に拡散する。
拡散した火炎および高温の燃焼ガスは、吸熱部材11の吸熱部11Bを加熱し、温度の低下した燃焼ガスが、熱排出口4Bから外部に排出される。
受熱面6Aに伝達された熱は、ヒートパイプ6Cにより受熱板6の全体に拡散し、受熱板6が均熱化される。
均熱化された受熱板6と冷却板5の温度差によって、熱電発電モジュール7が発電する。
したがって、熱処理炉100の排気口101の火炎が不規則、不均一に噴出されても、受熱板6を均一かつ効率的に加熱することができる。
受熱板6がヒートパイプ6Cを備えていることにより、受熱板6の一部に伝達された熱を全体に拡散することができるため、受熱板6を一層均一に加熱することができる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同一の部分については、同一符号を付して説明を省略する。
前述した第1実施形態では、受熱板6の受熱面6A上に拡散部材10および吸熱部材11を雌ねじ孔6Dにボルト等を用いてねじ止め固定していた。
これに対して、本実施形態では、図7に示すように、受熱板12上に板状の複数のリブからなる拡散部材12A、吸熱部材12Bを一体形成している点が相違する。
吸熱部材12Bは、受熱板12の矩形の外周縁に沿って配列される複数のリブから構成されている。各リブは、受熱板12と同様のアルミニウム等の熱伝導性の良好な金属板状体から構成される。
受熱板12の内部には、第1実施形態と同様にヒートパイプ6Cが2箇所設けられている。
このような受熱板12、拡散部材12A、および吸熱部材12Bは、鋳型等による鋳造により製造される。
拡散された高温の燃焼ガスは、吸熱部材12Bに熱を吸収され、熱を吸収された後の燃焼ガスは、熱排出口4Bから外部に排出される。
このような本実施形態のよっても前述した第1実施形態と同様の作用および効果を奏することができる。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。
前述した第2実施形態では、拡散部材12Aおよび吸熱部材12Bは、受熱板12と一体形成される複数のリブから構成されていた。
これに対して、本実施形態では、図8に示すように、拡散部材13Aおよび吸熱部材13Bは、受熱板13に一体形成された複数の柱状体から構成されている点が相違する。
吸熱部材13Bは、拡散部材13Aを囲むように設けられ、受熱板13から起立する複数の柱状体から構成される。吸熱部材13Bの各柱状体の高さは、第1実施形態とは異なり、拡散部材13Aを構成する柱状体の高さよりも大きく設定されている。
これにより、第1実施形態で述べた効果に加え、吸熱部材13Bの表面積が大きくなるので、吸熱部材13Bによる熱エネルギーの吸収効果を向上させることができ、受熱板13を一層均一に加熱することができる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
たとえば、前記実施形態では、熱電発電装置1は、熱処理炉100に適用されていたが、これに限らず、火炎を噴出する熱源であれば、他の熱源に熱電発電装置1を適用してもよい。
その他、本発明の具体的な構造および形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
Claims (4)
- 火炎および高温の燃焼ガスを受ける受熱面を有する受熱板と、
前記受熱面とは反対側の面に配置される熱電発電モジュールと、
前記熱電発電モジュールの前記受熱板が配置される面とは反対側の面に配置され、内部に冷却水が流通する冷却回路が設けられる冷却板と、
前記受熱面を覆うように設けられ、火炎および高温の燃焼ガスを導入する熱導入口、前記熱導入口から導入され、温度の低下した燃焼ガスを排出する熱排出口を有するカバー部材と、
前記受熱面上に設けられ、前記熱導入口に応じた位置に配置され、前記熱導入口から導入された燃焼ガスを前記受熱面に沿って拡散する拡散部材と、
前記拡散部材を囲むように、前記受熱面上に設けられ、前記拡散部材により拡散された高温の燃焼ガスの熱を吸収する吸熱部材と、
を備えていることを特徴とする熱電発電装置。 - 請求項1に記載の熱電発電装置において、
前記拡散部材は、吸熱機能を備えていることを特徴とする熱電発電装置。 - 請求項1または請求項2に記載の熱電発電装置において、
前記受熱板には、前記受熱面で受けた熱を均熱化する均熱化部材が設けられていることを特徴とする熱電発電装置。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の熱電発電装置において、
前記熱導入口の開口面積は、前記熱排出口の開口面積よりも大きいことを特徴とする熱電発電装置。
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