JP7323375B2 - 熱電発電ユニットの取付装置、および熱電発電システム - Google Patents

Description

本発明は、熱電発電装置を構成する熱電発電ユニットを配管に取り付けるための熱電発電ユニットの取付装置、および熱電発電システムに関する。

従来から熱電発電装置に用いられる熱電発電モジュールは、高温側の面と、その面に対向する低温側の面との間の温度差に応じて発電を行う。そのような熱電発電モジュールでは、熱源からの熱量を適切に供給する必要がある。

熱源が流れる配管等に用いられる部材には、熱膨張が生じる。その熱膨張に対応するために、熱電発電モジュールを配管に取り付ける取付装置として、熱電発電モジュールを取り付ける配管の外面に配置するクランプの一部をばねとしたものがある（例えば、特許文献１参照）。そのばねは、熱膨張による配管の外周の長さの変化に応じて変形する。そのため、配管の温度が変化しても、その温度変化に伴う配管の熱膨張分はばねの変形によって吸収され、配管から熱電発電モジュールへの熱量の伝達が維持される。

特許第４９４９４７６号公報

従来の取付装置では、フランジを配管に接触させ、フランジをクランプとボルトにより結合させている。しかし、そのようなフランジ、及びクランプを含む取付装置では、配管の周囲に設置可能な熱電発電モジュールは、フランジ、及びクランプの存在により、基本的には１つのみとなる。このため、設置する熱電発電モジュールの数に応じて、配管の軸方向上、つまり熱源が流れる方向上の長さが長くなる。

配管において、熱電発電モジュールの設置に適する範囲が限られているのは普通である。このこともあり、配管に生じる熱膨張への対応では、熱電発電モジュールの設置に要する配管の軸方向上の長さを抑制することも重要である。

本発明は、配管に生じる熱膨張に対応しつつ、熱電発電モジュールの設置に要する配管の軸方向上の長さを抑制可能な熱電発電ユニットの取付装置、および熱電発電システムを提供することを目的とする。

本発明に係る熱電発電ユニットの取付装置は、配管の周方向を囲む固定バンドと、配管に接触する高耐熱の接触部材と、固定バンドの径方向内側であって、固定バンドと接触部材との間に介在し、接触部材を配管に押し付けるとともに、固定バンドを配管から離した状態で固定する第一の弾性部材と、第一の弾性部材と固定バンドが取付けられる棒状部材と、棒状部材に取り付けられた固定バンドの径方向外側、および熱電発電ユニットに取付けられる取付部材と、棒状部材に取付けられ、取付部材に作用して熱電発電ユニットを配管に押し付ける、第一の弾性部材とは別個の第二の弾性部材と、を備える。

本発明によれば、配管に生じる熱膨張に対応しつつ、熱電発電モジュールの設置に要する配管の軸方向上の長さを抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の取付装置により、熱電発電装置を配管に取り付けた状態の例を示す図である。 熱電発電装置の設置環境例を示す図である。 本実施の形態に係る熱電発電装置の取付装置を構成する固定バンドの例を示す斜視図である。 本実施の形態に係る熱電発電装置の取付装置を構成する固定バンドを配管に取り付けた状態の例を示す図である。 本実施の形態に係る熱電発電装置の取付装置を構成する固定ユニットの構成例を説明する図である。 本実施の形態に係る熱電発電装置の取付装置を構成する固定ユニットの配管に生じる熱膨張への対応機能を説明する図である。 本実施の形態に係る熱電発電装置の取付装置に採用可能な他の弾性部材の例を示す図である。 本実施の形態に係る熱電発電装置の取付装置を構成する取付板の例を示す斜視図である。 熱電変換ユニットの分解図である。 熱電発電ユニットの図８に示すＢ－Ｂ線での断面図である。 本実施の形態に係る熱電発電装置の取付装置により熱電発電ユニットを配管に取り付けた状態の例を示す断面図である。

以下、本発明に係る熱電発電ユニットの取付装置、および熱電発電システムの各実施の形態を、図を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の取付装置により、熱電発電装置を配管に取り付けた状態の例を示す図である。熱電発電装置の取付装置１０は、熱源となる流体が流れる配管１に熱電発電装置を取り付けることを想定した装置である。熱電発電装置は、熱電発電モジュールを有する熱電発電ユニット２０を１つ以上、備えた装置である。つまり、熱電発電装置は、１つ以上の熱電発電ユニット２０を備えた装置である。本実施の形態では、図１に示すように、熱電発電装置は、複数の熱電発電ユニット２０を備えている。このことから、ここでは、熱電発電装置は、特に断らない限り、複数の熱電発電ユニット２０を備えた装置の意味で用いる。

図２は、熱電発電装置の設置環境例を示す図である。本実施の形態１に係る熱電発電装置の取付装置により配管１に取り付けられる熱電発電装置は、例えば廃熱利用のために、工場に設置される。なお、熱電発電装置の工場での利用は、１例であり、熱電発電装置を利用するのは、工場に限定されない。熱電発電装置は、熱電発電を行ううえでの熱源が存在する場所であれば、幅広く利用することができる。

工場設備２は、例えば燃料、ゴミ等の燃焼、或いは高温体の冷却により、熱電発電が可能な熱源となる高温流体を発生させる。この高温流体は、配管１、及び煙突３を介して大気に排出される。熱電発電装置は、例えば配管１の図２に示すＡ部に取り付けられ、大気に排出される高温流体により発電を行うようになっている。

先ず、本実施の形態に係る熱電発電装置の取付装置について、図３～図８を参照して具体的に説明する。熱電発電装置の取付装置１０は、以降「取付装置１０」と略記する。ここでは、位置関係については、配管１を想定して表現する。それにより、例えば「外側」は、配管１の中心から離れる方向側を指す意味で用いる。

図３は、本実施の形態に係る熱電発電装置の取付装置を構成する固定バンドの例を示す斜視図である。この固定バンドは、熱電発電ユニット２０を配管１に取り付けるうえでベースとなる部品である。図３に示すように、固定バンドは、２つのバンド１１ａ、１１ｂを複数の固定棒１２により離して一体化させた構造となっている。固定棒１２は、取り付ける熱電発電ユニット２０を想定して配置されている。以降、特に限定する必要のないような場合、バンド１１ａ、１１ｂの符号として「１１」を用いる。

各バンド１１ａ、１１ｂは、２つの板状の部材１１１、１１２により作製されている。各部材１１１、１１２の一方の端部はヒンジ１１３として連結されている、他方の端部１１１ａ、１１２ａは、外側に向けて突出している。端部１１１ａ、１１２ａには、それぞれ穴が形成されている。それにより、端部１１１ａ、１１２ａの穴を通せるボルト１２１、及びナット１２２を用いて、端部１１１ａ、１１２ａを連結させることができる。また、ボルト１２１をナット１２２に通す長さにより、端部１１１ａ、１１２ａ間の距離を調整することができる。

２つの部材１１１、１１２には、それぞれ複数の穴１１４が形成されている。各穴１１４も固定棒１２と同様に、取り付けられる熱電発電ユニット２０を想定して配置されている。

図４は、本実施の形態に係る熱電発電装置の取付装置を構成する固定バンドを配管に取り付けた状態の例を示す図である。図４に示すように、固定バンド、つまり各バンド１１ａ、１１ｂの内径は、配管１の外径より大きい。そのため、固定バンドは、配管１から離した状態で固定される。各穴１１４から外側に棒状の部材が突出しているのは、熱電発電ユニット２０の位置決め、及び固定のための固定ユニット１３である。固定バンドは、固定ユニット１３により、配管１から離した状態で安定的に固定される。

図５は、本実施の形態に係る熱電発電装置の取付装置を構成する固定ユニットの構成例を説明する図である。図５では、固定ユニット１３の分解図、及び組み立てた後の状態を示している。次に、図５を参照し、固定ユニット１３について詳細に説明する。

固定ユニット１３は、図５に示すように、接触部材５１、ネジ５２、２つのばね５３、５４、シム板５５、２つのワッシャー５６、５７、２つのナット５８、５９を含む。ばね５３は、本実施の形態における他の弾性部材に相当する。ばね５４は、本実施の形態における弾性部材に相当する。

接触部材５１は、配管１と実際に接触する部材である。本実施の形態では、高耐熱樹脂により接触部材５１を作製している。これは、配管１からの熱量の伝達を抑制するためである。熱量の伝達を抑制することにより、固定ユニット１３全体、特にネジ５２の熱膨張によるサイズの変化を抑えることができる。

接触部材５１は、図５に示すように、全体が矩形体状である。しかし、凹部５１ａ、及び凹部５１ａに繋がる穴５１ｂが形成されている。凹部５１ａは、ナット５８の収納用であり、穴５１ｂは、ネジ５２を通すためのものである。それにより、ネジ５２の端部５２ａにナット５８を取り付けた後、ナット５８を凹部５１ａ内に挿入できるようになっている。このため、配管１からネジ５２への熱量の伝達は、接触部材５１により抑制させることができる。ネジ５２は、端部５２ａ、及び端部５２ｂの両方にネジ溝が形成された棒状部材である。ネジ５２は、本実施の形態における棒状部材に相当する。

ネジ５２の接触部材５１から外部に突出している部分には、接触部材５１側から、ばね５３、シム板５５が挿入される。バンド１１の内面、つまり配管１側の面は曲面である。そのため、シム板５５は、各固定ユニット１３において、ばね５３とバンド１１の内面との間の距離を一定にするために用いられている。

このようなことから、固定バンドは、バンド１１の各穴１１４の内側から、それぞれ固定ユニット１３のネジ５２を端部５２ｂから挿入させた後、配管１に取り付けられる。そのようにして固定バンドを配管１に取り付けることにより、図４に示す状態が実現されることとなる。２つのワッシャー５６、５７、ナット５９は、固定バンドを配管１に取り付けた後、ネジ５２に取り付けられる。

固定バンドの配管１への取り付けでは、ばね５３を縮ませて弾性力を作用させる。その弾性力により、接触部材５１を配管１に向けて適切な圧力で押し付けるようにする。そのために、各バンド１１ａ、１１ｂでは、図３に示すように、端部１１１ａ、１１２ｂ間の距離が調整可能となっている。このようなことから、固定バンドは、端部１１１ａ、１１２ｂ間の距離の調整を通して、配管１に安定的に固定させることができる。

ばね５３は、バンド１１の内面と接触部材５１との間を広げる方向に弾性力を作用させる。ネジ５２は、ナット５８により、接触部材５１に固定された形となっている。そのため、ネジ５２もばね５３により、配管１に向けて押し付けられることとなる。ばね５３に弾性力を作用させる必要から、ネジ５２は、穴１１４により、バンド１１との間の位置関係を変更可能に支持されている。

図６は、本実施の形態に係る熱電発電装置の取付装置を構成する固定ユニットの配管に生じる熱膨張への対応機能を説明する図である。ここで図６を参照し、配管１に生じる熱膨張を想定した固定ユニット１３の機能について具体的に説明する。

上記のように固定ユニット１３は、配管１に接触部材５１のみが接触する。その接触部材５１は、高耐熱樹脂としている。そのため、接触部材５１を介して配管１から固定ユニット１３に伝達される熱量は抑制される。結果、配管１の温度上昇分と比較し、固定ユニット１３全体における温度上昇分はより抑えられる。従って、配管１の温度の変動に伴う固定ユニット１３の高さＤ１の変動もより抑えられる。なお、高さＤ１は、配管１の径方向上の幅である。これは、後述する高さＤ２、Ｄ３も同じである。

配管１は、温度により外径が変化する。バンド１１にも、配管１からの熱量が固定ユニット１３、赤外線、及び空気を介して伝達される。しかし、伝達される熱量によるバンド１１の温度変化量は、配管１と比較して小さい。このため、配管１の外面とバンド１１の内面との間の距離に相当する高さＤ２は、配管１の温度に応じて変化したとしても、その変化分は僅かなものとなる。高さＤ２の僅かな変化分は、ばね５３の変形によって吸収される。従って、配管１の温度変化に伴うバンド１１への影響は回避されるか、或いは大きく抑制される。結果、配管１の温度が変動しても、固定バンドは配管１に安定的に固定されることになる。なお、取付装置１０、つまり熱電発電装置の設置環境によっては、バンド１１の温度変化量は、配管１の温度変化量と比較して非常に小さくなる。

上記のように、２つのワッシャー５６、５７、ナット５９は、固定バンドを配管１に取り付けた後、ネジ５２に取り付けられる。これらは、熱電発電ユニット２０を配管１に向けて押し付けるための部品である。これらは、接触部材５１側から、ワッシャー５６、ばね５４、ワッシャー５７、ナット５９の順に配置されている。

ナット５９は、ばね５４の一端を固定させるように働く。ネジ５２の端部５２ｂに設けられたマーク５２ｃは、ナット５９をネジ５２の適切な位置まで挿入するための位置決め用である。図６中の６０は、熱電発電ユニット２０に取り付けられる取付板である。この取付板６０には、ワッシャー５６を介して、ばね５４の弾性力が作用する。この結果、取付板６０は、ばね５４により、配管１に向けて押し付けられる。この取付板６０は、本実施の形態における取付部材に相当する。

配管１の外面からワッシャー５６の内面、つまり配管１側の面までの高さは、配管１の温度によって変化する。その変化は、ワッシャー５６の内面からネジ５２の外側の端までの高さＤ３の変化に相当する。この高さＤ３の変化分は、ばね５４の変形によって吸収される。

配管１の温度変化に伴う高さＤ１の変化分は、上記のように、抑制されたものとなる。熱電発電ユニット２０、及び取付板６０を含む配管１の径方向上の高さも、配管１の温度によって変化する。その変化する方向は、固定ユニット１３と同じ方向である。熱電発電ユニット２０の低温側は、冷却が行われることもあり、熱電発電ユニット２０、及び取付板６０を含む配管１の径方向上の高さの変化分は抑制されたものとなる。このようなことから、配管１の温度による高さＤ３の変化分は、実際にはより小さいレベルに抑えられることとなる。従って、配管１の温度変化に伴い、高さＤ３が変化したとしても、ばね５４によって熱電発電ユニット２０を配管１に向けて押し付ける力の変動分は非常に小さいものとなる。結果、配管１の温度に係わらず、熱電発電ユニット２０は常に適切な圧力で配管１に接触させられることとなる。

熱電発電ユニット２０を構成する熱電発電モジュールは、比較的に小さい力でも破損し易い。配管１の温度に係わらず、熱電発電ユニット２０を常に適切な圧力で配管１に接触させられる場合、熱電発電ユニット２０の構成に係わらず、熱電発電モジュールの破損を回避させることができる。フランジ等の頑丈な部材を熱電発電ユニット２０の取り付けに用いなくとも済むようになる。そのため、図１に示すように、配管１の周囲に複数の熱電発電ユニット２０を取り付けることができる。従って、熱電発電ユニット２０の設置に要する配管１の軸方向上の長さ、つまり配管１内を高温流体が流れる方向上の長さは、配管１の外周に１つの熱電発電ユニット２０を設置する場合と比較して、非常に短くさせることができる。

熱電発電ユニット２０を取り付ける配管１の形状に合わせて作製したクランプの一部をばねとする場合、そのばねの弾性力は、配管１に生じる熱膨張によって変化する外周の長さに応じて変化する。外周の長さの変化分は、外径の変化分と比較して非常に大きくなる。ばねに生じる弾性力の変化分は、ばねの変形分に依存する。このことから、配管１の外径の変化をばね５４により吸収させる本実施の形態は、熱電発電ユニット２０を配管１に向けて押し付ける圧力の変動を抑制するうえで有効である。

フランジ等の頑丈な部材では、表面積も大きくなり、熱電発電ユニット２０と接触する面積の割合は小さくなる。そのため、熱電発電ユニット２０の取り付けにフランジ等を用いる場合、熱電発電ユニット２０に伝達される熱量が小さくなって、発電量も小さくなる。このようなことから、フランジ等を用いないことは、各熱電発電ユニット２０の発電量をより大きくさせるうえでも有効である。また、フランジ等を用いないことは、取付装置１０の軽量化、取付装置１０の低コスト化にも有効である。特に熱電発電ユニット２０の数が多くなるほど、熱電発電ユニット２０の一つ当たりに必要となる取付装置１０のコストは低くなる。

なお、本実施の形態では、ばね５３、５４として、共に渦巻ばねを採用しているが、ばね５３、５４は、渦巻ばねに限定されない。例えばばね５３は、図７に示すように、スプリングワッシャー７１であっても良い。トーションバーであっても良い。また、ばね５３、５４は、ばね以外の弾性部材であっても良い。例えばばね５３、５４は、ゴムであっても良い。このように、ばね５３、５４としては、様々な弾性部材を採用することができる。固定ユニット１３の構成は、採用する弾性部材に応じて変形すれば良い。

図８は、本実施の形態に係る熱電発電装置の取付装置を構成する取付板の例を示す斜視図である。次に図８を参照し、本実施の形態における取付部材に相当する取付板６０について具体的に説明する。

取付板６０を説明する前に、図９、及び図１０を参照し、取付板６０に取り付けられる熱電発電ユニット２０について具体的に説明する。図９は、熱電変換ユニットの分解図、図１０は、熱電発電ユニットの図８に示すＢ－Ｂ線での断面図である。

熱電発電ユニット２０は、図９に示すように、配管１側から、熱伝導媒体９１、金属ブロック９２、熱伝導媒体９３、熱電発電モジュール９４、熱伝導媒体９５、及び冷却部９６が重ねられた構成となっている。それにより、熱電発電ユニット２０は、熱伝導媒体９１が配管１と接触するようになっている。なお、この構成は１例であり、熱電発電ユニット２０の構成は、特に限定されない。

熱電発電モジュール９４の配管１側の面は高温側であり、その反対側の面は低温側である。冷却部９６は、熱電発電モジュール９４の低温側の面を冷却して、高温側と低温側との間の温度差をより大きくさせるためのものである。上記のように、この冷却部９６は、熱電発電ユニット２０、及び取付板６０を含む配管１の径方向上の高さの変化分を抑制させる。

冷却部９６は、図９、及び図１０に示すように、受熱板９６ａ、２つのヒートパイプ９６ｂ、固定部材９６ｃを備えている。２つのヒートパイプ９６ｂには、多数のフィン９６ｄが取り付けられている。この２つのヒートパイプ９６ｂは、受熱板９６ａと固定部材９６ｃとの間で固定されている。それにより、熱電発電モジュール９４からの熱量は、受熱板９６ａ、ヒートパイプ９６ｂ、及び多数のフィン９６ｄを介して放熱される。

固定部材９６ｃの熱電発電モジュール９４の反対側には、熱電発電モジュール９４の反対側に突出する計４つのネジ９６ｅが設けられている。この４つのネジ９６ｅは、取付板６０への熱電発電ユニット２０の取り付けに用いられる。

取付板６０は、取り付けられた熱電発電ユニット２０を配管１に押し付けられるように、配管１の径方向と平行な平面で切断した場合の形状は、図８～図１０に示すように、配管１側に向けて凸状となっている。凸状となっている部分に、ネジ９６ｅが挿入可能な穴６２が形成されている。それにより、取付板６０は、ネジ９６ｅを内側から穴６２に通した後、ナット８１を用いて熱電発電ユニット２０に取り付けることができる。

取付板６０には、図８、及び図９に示すように、４つのＵ字形の穴６１が形成されている。この穴６１は、固定ユニット１３のネジ５２を通すためのものである。穴６１の形状をＵ字形としているのは、熱電発電ユニット２０を取り付けた取付板６０をネジ５２にかけられるようにするためである。そのＵ字形の形状により、熱電発電ユニット２０の配管１に接触させる取り付けはより容易に行えるようになる。より具体的には、各固定ユニット１３のネジ５２への２つのワッシャー５６、５７、ばね５４、及びナット５８の取り付けがより容易に行えるようになる。ネジ５２に、ワッシャー５６、ばね５４、ワッシャー５７、ナット５８の順序で取り付け、マーク５３ｃに合わせてナット５８をネジ５２に挿入することにより、熱電発電ユニット２０を適切な圧力で配管１に接触させることができる。

図１１は、本実施の形態に係る熱電発電装置の取付装置により熱電発電ユニットを配管に取り付けた状態の例を示す断面図である。この断面図は、配管１のみを径方向と平行な面で切断し、軸方向上の視点で取付装置１０、及び熱電発電ユニット２０を示した図である。

本実施の形態では、上記のように、固定バンドのバンド１１をベースにし、固定ユニット１３をばね５３により配管１に向けて押し付け、取付板６０を介して、熱電発電ユニット２０をばね５４により配管１に向けて押し付けるようにしている。言い換えれば、固定バンド、固定ユニット１３、及び取付板６０の何れも配管１に固定的に取り付けないようにして、配管１の温度による外径変化の影響をばね５３、５４により吸収させる構成としている。

このような構成のため、配管１の温度による外径変化に伴い、高さＤ２に相当する配管１の外面とバンド１１の内面との間の距離が変化しても、ばね５３が作用させる弾性力の変化は狭い範囲内に抑えられる。この結果、バンド１１、及び固定ユニット１３の破損を確実に回避させつつ、固定バンドを配管１に常に安定的に固定させることができる。

同様に、配管１の温度による外径変化に伴い、高さＤ３に相当するワッシャー５６の内面とネジ５２の端との間の距離が変化しても、ばね５４が作用させる弾性力の変化は狭い範囲内に抑えられる。この結果、配管１の温度に係わらず、熱電発電ユニット２０を構成する熱電発電モジュール９４の破損を確実に回避させつつ、熱電発電ユニット２０を常に適切な圧力で配管１に接触させることができる。そのため、熱電発電ユニット２０への強度的な要求レベルも抑えられる。これは、熱電発電ユニット２０の製造コストをより抑制する、配管１の周囲に取り付け可能な熱電発電ユニット２０の数をより増やす、といった面でも有効である。後者は、熱電発電ユニット２０の設置に要する配管１の軸方向上の長さをより抑えられることを意味する。

なお、本実施の形態では、１つの熱電発電ユニット２０の配管１への押し付けに４つのばね５４を用いているが、その押し付けに用いるばね５４の数は特に限定されない。ばね５４の数によりバンド１１の数を増減させても良い。同様に、各バンド１１に圧力を作用させるばね５３の数は２としているが、その数も２に限定されない。また、ばね５３、５４を一つの固定ユニット１３に取り付けるようにしているが、ばね５３、５４は異なる部品に取り付けるようにしても良い。例えば、ばね５４は、取付板６０に取り付け、熱電発電ユニット２０の配管１への押し付けに用いても良い。取付板６０に、ばね５４とは別の弾性部材を設け、熱電発電ユニット２０の配管１への押し付けに、この別の弾性部材を用いても良い。このようなことを含め、様々な変形が可能である。

１ 配管、１０ 熱電発電装置の取付装置、１１ａ、１１ｂ バンド、１２ 固定棒、１３ 固定ユニット、２０ 熱電発電ユニット、５１ 接触部材、５２ ネジ（棒状部材）、５３ ばね（他の弾性部材）、５４ ばね（弾性部材）、６０ 取付板（取付部材）、９４ 熱電発電モジュール。

Claims (3)

1. 配管の周方向を囲む固定バンドと、
   前記配管に接触する高耐熱の接触部材と、
   前記固定バンドの径方向内側であって、前記固定バンドと前記接触部材との間に介在し、前記接触部材を前記配管に押し付けるとともに、前記固定バンドを前記配管から離した状態で固定する第一の弾性部材と、
   前記第一の弾性部材と前記固定バンドが取付けられる棒状部材と、
   前記棒状部材に取り付けられた前記固定バンドの径方向外側、および熱電発電ユニットに取付けられる取付部材と、
   前記棒状部材に取付けられ、前記取付部材に作用して前記熱電発電ユニットを前記配管に押し付ける、前記第一の弾性部材とは別個の第二の弾性部材と、
   を備える熱電発電ユニットの取付装置。
2. 前記棒状部材は、前記接触部材を介して前記配管に固定される
   請求項１に記載の熱電発電ユニットの取付装置。
3. 請求項１または２に記載の熱電発電ユニットの取付装置と、
   前記熱電発電ユニットと、
   を備える熱電発電システム。

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