JPH033682A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、熱電発電装置に関するもので、詳しくは、タ
ービンや発電機を介さないで、熱エネルギーを直接電気
エネルギーに変換する装置に関するものである。

〔従来の技術〕

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する従来の原子力
発電設備は、たとえば、第１４図に示すような構成から
なっている。

第１４図において、６１は原子炉格納容器、６２は原子
炉、６３は１次系高温溶融ナトリウムライン、６４は中
間熱交換器、６５は２次系高温溶融ナトリウムライン、
６６は高温高圧の蒸気発生器、６７は蒸気ライン、６８
は蒸気タービン、６９は交流発電機、７０は電力送電ラ
インである。

すなわち、原子炉６２で加熱された１次系高温溶融ナト
リウムは中間熱交換器６４で２次系高温溶融ナトリウム
と熱交換し、この熱交換した２次系高温ナトリウムは蒸
気発生器６６で水を加熱して蒸気を発生させる。この蒸
気は蒸気タービン６８に供給され、該タービン６８は回
転して交流発電機６９を回転駆動し、該発電機６９で交
流電力が発生されて電力送電ライン７０から需用光に供
給される。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述のように、熱エネルギーを電気エネルギーに変換す
る従来の技術においては、中間熱交換器６４、蒸気発生
器６６、蒸気タービン６８、発電機６９などを必要とす
るので、設備としては、多数の機器およびそれに伴なう
多くの配管などを必要とし、かつ、それらの保守や点検
などに多（の費用がかかり、経済的でないという問題点
がある。

また可動部分による機械的損失および騒音などにも問題
点がある。

本発明は、このような問題点を解決しようとするもので
ある。すなわち、本発明は、熱を直接電気に変換するこ
とによって、蒸気発生器、タービン、発電機が不要とな
り、静的化ならびに単純化が可能となって、保守や点検
が容易となるとともに、安全性および信牽頁性を大幅に
向上させることができる熱電発電装置を提供することを
目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の熱電発電装置は、
Ｐ型アモルファス半導体電素材とＮ型アモルファス半導
体電素材が対をなして電気的にも熱的にも不良導体であ
る絶縁物を介して平板状に形成されていて、その一方の
側と他方の側のいずれか一方が高温側となるとともに、
他方が低温側となる熱電素子の多数を、電気的にも熱的
にも不良導体である絶縁物を挟んで配列した熱電素子集
合体を有する平板型の熱電発電器を備え、かつ、前記熱
電素子集合体の該熱電素子の各Ｐ型アモルファス半導体
電素材と各Ｎ型アモルファス半導体電素材が高温側と低
温側と交互に順に電気的に接続されて全体として直列に
接続されており、しかも、高温流体と低温流体を各別に
流す流路を有して、該高温流体により前記熱電素子の高
温側に熱を与えるとともに、該低温流体により前記熱電
素子の低温側から熱を奪うようにした。

〔作　用〕

本発明によれば、高温流体と低温流体を各別の流路に連
続的に流して該高温流体によって熱電素子の高温側を加
熱し、同時に該低温流体によって前記熱電素子の低温側
を冷却するので、各熱電素子には起電力が発生する。し
かも、各熱電素子は電気的に直列に接続されているので
、その起電力の総和の比較的大きな直流電力が得られる
。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例を示している。

第１図において、■は原子炉格納容器、２は原子炉、３
は後述する熱電発電装置、４は溶融ナトリウム供給ライ
ン、５は溶融ナトリウム排出ライン、６は電磁ポンプ、
７は冷却水供給ライン、８は冷却水排出ライン、９は直
流を交流に変換する変換器、ＩＯは電力送電ラインであ
る。

すなわち、原子炉２で約５４０°Ｃに加熱された高温流
体としての高温溶融ナトリウムは、熱電発電装置３に連
続的に供給され、熱電発電装置３の後述する高温側を加
熱して約４３０°Ｃに低下し、電磁ポンプ６によって溶
融ナトリウム排出ライン５から原子炉２に戻される。一
方、低温流体としての海水などの約２５°Ｃの冷却水は
、冷却水供給ライン７から流入し、熱電発電装置３の後
述する低温側を冷却して約３２°Ｃとなって冷却水排出
ライン８から排出される。

これによって、熱電発電装置３の後述する熱電素子に起
電力が発生し、その直流電力は変換器９によって交流電
力に変換されて電力送電ラインｌＯから需用光へ送電さ
れる。

第２図は前記熱電発電装置３の半導体による熱電発電の
原理の説明図で、１１はＰ型アモルファス半導体電素材
、１２はＮ型アモルファス半導体電素材、１３は電気絶
縁物、１４は正札（＋）、１５は電子（−）、１６は高
温側電気導体、１７と１８は低温側電気導体、１９は導
線、２０は電球である。

この熱電発電の原理は、公知の温度測定用の熱電対と同
様゛に、前記両熱電素材１１　、１２の高温側と低温側
の温度差によって、低温側において、前記両熱電素材１
１　、１２の間に起電力が発生し、これに電球２０を接
続すれば点灯する。

この熱電発電効率は、性能指数Ｚが大きいほど、理想効
率（カルノー効率）に近づき、また温度差が大きいほど
、効率が上昇する。

ここで、性能指数Ｚは次の式で表わされる。

したがって、上記（１）式から、熱電素子は、ゼーベッ
ク係数が太き（、電気を良く通し、熱は通さない？Ｉ質
が望ましい。

第１表は主な物質の性能指数を表わしている。

ただし、 工Ｉ　Ｃｍ 第３図は熱電発電の熱効率ηと性能指数Ｚとの関係を示
している。

前記第１表と第３図から、アモルファスＦｅＳｉ２は性
能指数ＺがｌＯ４であり、高い熱効率を示し、また原料
も安価であるため、アモルファス半導体電素材としては
、前記ＦｅＳｉ２が望ましい。

第４図は第１図の熱電発電装置３の一部を示した斜視図
であり、第５図は第４図の切断線Ａ−Ａに沿う平面断面
図、第６図は第４図の切断線Ｂ−Ｂに沿う立面断面図、
第７図は第６図の０部の拡大図である。

第４図ないし第６図において、２１は外殻、２２は該外
殻２１の中に設けられた管板である。

２３は後述する平板型の熱電発電器で、該外殻２１の中
に多数設けられていて管板２２によって支持されている
。

第５図にみられる２４は第１図の溶融ナトリウム供給う
イン４を接続するナトリウム入口、２５は同じく溶融ナ
トリウム排出ライン５を接続するナトリウム出口、２６
はナトリウム流路である。

第６図にみられる２７は第１図の冷却水供給ライン７を
接続する冷却水入口、２８は同じく冷却水排出ライン８
を接続する冷却水出口、２９は冷却水流路、３０は流量
分配板である。

そして、前記平板型の熱電発電器２３は、第７図に示す
ように、Ｐ型アモルファスＦｅＳ　ｉ　２半導体電素材
３１とＮ型アモルファスＦｅＳｉ２半導体電素材３２が
対をなして電気的にも熱的にも不良導体である絶縁物３
３を介して平板状に形成されていて、その一方の側であ
るナトリウム流路２６側が高温側になっているとともに
、他方の側である冷却水流路２９側が低温側になってい
る熱電素子３４の多数を、電気的にも熱的にも不良導体
である絶縁物３５を挟んで配列した熱電素子集合体３６
を有している。しかも、熱電素子集合体３６の熱電素子
３４の各Ｐ型アモルファスＦｅＳｉ２半導体電素材３１
と各Ｎ型アモルファスＦｅＳｉ２半導体電素材３２が高
温側と低温側と交互に順に電気良導体３７と３８によっ
て接続されて全体としては直列に接続されている。

その他、第７図において、３９は該ナトリウム流路２６
を形成している角管、４０は流路仕切り板、４１は該電
気良導体３７と角管３９とに密着している酸化ベリリウ
ムまたはダイヤモンド薄膜などからなる電気的には不良
導体で熱的には良導体である層、４２は該電気良導体３
８に密着して熱電発電器２３や角管３９を収納している
箱体である。なお箱体４２は電気的には不良導体で熱的
には良導体である。また角管３９が電気的には不良導体
で熱的には良導体であれば層４１を省略することができ
る。

第４図ないし第７図に示すように構成された熱電発電器
２３においては、高温溶融ナトリウム（Ｎａ）がナトリ
ウム流路２６を流れることによって、熱電素子集合体３
６の各熱電素子３４の高温側が加熱され、同時に、冷却
水が冷却水流路２９を流れることによって、各熱電素子
３４の低温側が冷却されるので、第２図で説明したよう
に、各熱電素子３４には起電力が発生し、しかも、各熱
雷素子３４は電気的に直列に接続されているので、その
起電力の総和の直流電力が連続して得られる。

なお各熱電発電器２３間の電気的接続は、直列、並列、
直列と並列の組み合わせ、のいずれかになっている。ま
た、第７図には図示されていないが、内側が高温側で外
側が低温側になっている端部にも、熱電素子集合体を配
置するようにしてもよい。

第８図は本発明の第２実施例を示している。この第２実
施例は、前記第７図に比較して、主要な構成については
、殆んど差異がないが、構造としては、熱的に良導体で
ある平板の板４３　、４４を組み合わせ、内側にナトリ
ウム流路２６を作り、その外側に熱的に良導体である層
４１を密着し、第７図と同様な熱電素子集合体３６から
なる熱電発電器２３を配置し、さらに、その外側を前記
層４１と同様な層４７を密着して前記板４３　、４４と
同様な平板の板４５　、４６で囲って一体化したもので
ある。

第９図は本発明の第３実施例を示している。この第３実
施例では、中央に厚みのある熱的に良導体である板４８
の中に丸穴をあけることによって、ナトリウム流路２６
を形成したものである。

第１０図は本発明の第４実施例を示している。

この第４実施例では、モジュール化することによって大
容量化を図ったものである。

すなわち、流路を形成する溝を切った板の間に平板型の
熱電発電器を挟んだような形にし、あるいは一方の平板
型の熱電発電器と他方の平板型の熱電発電器の間に流路
を形成する溝を切った板があるようにして、平板型の熱
電発電器を数段に積層化しようとするものである。

具体的には、下から順に、冷却水流路２９を有する低温
流路板５０→平板型の熱電発電器２３→ナトリウム流路
２６を有する高温流路板５１→平板型の熱電発電器２３
→冷却水流路２９を有する低温流路板５０→・・・と積
層するのであるが、これら各部材を順に積層してもよく
、または幾つかを組み合わせたものを積層してもよい。

また最下位と最上位が低温流路板５０になるようにし、
つまり、最下位と最上位に高温流路板５１が存在しない
ようにして、高温流体である高温溶融ナトリウム（Ｎａ
）の保有する熱が無駄に外気に放出されないようにする
ことが望ましい。

このように積層化することによって、容易に大容量化を
図ることができる。

第１１図は本発明の第５実施例を示している。

この第５実施例では、前述の熱電発電器２３を多数積層
し、管板２２に固定して、熱電発電モジュール４９を構
成している。

第１２図および第１３図は本発明の第６実施例を示した
平面図で、このうち、第１２図はナトリウム流路２６を
、第１３図は冷却水流路２９を示しており、矢印はそれ
ぞれの流れ方向を表わしている。またナトリウム流路２
６は多数の仕切り板５２によって分けられており、冷却
水流路２９も多数の仕切り板５３によって分けられてい
る。

すなわち、第１２図のように、ナトリウム人口２４とナ
トリウム出口２５を同一側に設けて各ナトリウム流路２
６をＵ字形にし、また第１３図のように、冷却水人口２
７と冷却水出口２８を、ともに、前記ナトリウム人口２
４とナトリウム出口２５の反対側に設け、ナトリウム流
路２６に対し１８却水流路２９を向流形式の逆Ｕ字形に
している。

熱電発電器２３を、このようなナトリウム流路２６と冷
却水流路２９の板の間に配置することにより、ナトリウ
ムと冷却水の流入流出はそれぞれ反対側の面であるため
、ナトリウムと冷却水の分離がよく、安全である。なお
これを積層することによって大容量化が図れる。

なお上記各実施例では、高温流体として、高温溶融ナト
リウムを例示したが、これは、高温溶融リチウム（ＬＤ
やナック（ＮａＫ）でもよく、または高温のアルゴン（
Ａｒ）　、窒素（Ｎり　、水素（Ｈ２）ガス、燃焼ガス
、燃焼排ガスなどの気体を用いてもよい。また低温流体
として、冷却水を例示したが、これは冷却空気でもよい
。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、Ｐ型アモルファ
ス半導体電素材とＮ型アモルファス半導体電素材が対を
なして電気的にも熱的にも不良導体である絶縁物を介し
て平板状に形成されていて、その一方の側と他方の側の
いずれか一方が高温側になるとともに、他方が低温側と
なる熱電素子の多数を、電気的にも熱的にも不良導体で
ある絶縁物を挟んで配列した熱電素子集合体を有する平
板型の熱電発電器からなるので、各構成部材が平板状の
ものとなり、構造が簡単であって、製造が容易となる。

またモジュール型であるため、用途に合った電圧および
電流に最適化させることができ、小型から大型のものま
で、熱電素子をふやすだけで対応ができる。しかも、熱
電発電器の前記各熱電素子は電気的に直列に接続されて
いるので、その起電力の総和の比較的大きな直流電力が
得られる。また高温流体と低温流体を各別に流す流路を
有して、該高温流体により前記熱電素子の高温側へ熱を
与えるとともに、該低温流体により前記熱電素子から熱
を奪うようにしているため、前記熱電素子の高温側が必
要な温度に加熱され、前記熱電素子の低温側が必要な温
度に冷却され、これによって、各熱電素子には起電力が
発生する。

したがって、タービンや発電機を介さないで、熱エネル
ギーを直接電気エネルギーに変換することができるので
、タービンや発電機およびその付属機器ならびに長い配
管などが不要となって、静的化ならびに単純化が可能と
なり、このため、設備費を著しく低減することができ、
かつ、保守や点検などが容易となり、また安全性および
信頬性を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示した説明図、第２図は
熱雷発電の原理の説明図、第３図は熱電発電の熱効率と
性能指数との関係の説明図、第４図は第１図の熱電発電
装置を示した斜視図、第５図は第４図の切断線Ａ−Ａに
沿う平面断面図、第６図は同じく切断線Ｂ−Ｂに沿う立
面断面図、第７図は第６図の０部の拡大図、第８図は本
発明の第２実施例を示した斜視図、第９図は同じく第３
実施例を示した斜視図、第１０図は同じく第４実施例を
示した斜視図、第１１図は同じく第５実施例を示した斜
視図、第１２図は同じく第６実施例のナトリウム流路を
示した平面図、第１３図は同じく第６実施例の冷却水流
路を示した平面図、第１４図は従来の技術の一例を示し
た説明図である。 ２・・・原子炉、　　　　　３・・・熱電発電装置、４
・・・溶融ナトリウム供給ライン、 ５・・・溶融ナトリウム排出ライン、 ７・・・冷却水供給ライン、 ８・・・冷却水排出ライン、 １０・・・電力送電ライン、２１・・・外殻、２２・・
・管板、　　　　　２３・・・熱電発電装置、２４・・
・ナトリウム人９口、２５・・・ナトリウム出口、２６
・・・ナトリウム流路、２７・・・冷却水入口、２８・
・・冷却水出口、　　２９・・・冷却水流路、３１・−
Ｐ型アモルファスＦｅＳｉ２半導体電素材、３２・・・
Ｎ型アモルファスＦｅＳｉ２半導体電素材、３３・・・
絶縁物、　　　　３４・・・熱電素子、３５・・・絶縁
物、　　　　３６・・・熱電素子集合体、３７　、３８
・・・電気良導体１． ４９・・・熱電発電器モジュール。 茶 ３ 図 Ｓ＆　（’ｉ’Ｊ　　’／１４　（’Ｃ）第 島 ６ 第 １４ 閉

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｐ型アモルファス半導体電素材とＮ型アモルファス
   半導体熱電素材が対をなして電気的にも熱的にも不良導
   体である絶縁物を介して平板状に形成されていて、その
   一方の側と他方の側のいずれか一方が高温側となるとと
   もに、他方が低温側となる熱電素子の多数を、電気的に
   も熱的にも不良導体である絶縁物を挟んで配列した熱電
   素子集合体を有する平板型の熱電発電器を備え、かつ、
   前記熱電素子集合体の該熱電素子の各Ｐ型アモルファス
   半導体熱電素材と各Ｎ型アモルファス半導体熱電素材が
   高温側と低温側と交互に順に電気的に接続されて全体と
   して直列に接続されており、しかも、高温流体と低温流
   体を各別に流す流路を有して、該高温流体により前記熱
   電素子の高温側に熱を与えるとともに、該低温流体によ
   り前記熱電素子の低温側から熱を奪うようにしたことを
   特徴とする、熱電発電装置。 ２、高温流体を加熱する熱源として原子炉を有する請求
   項１記載の熱電発電装置。 ３、熱電素子集合体の流路側のほうに、電気的には不良
   導体で熱的には良導体である層が、前記熱電素子集合体
   に密着されている請求項１または２記載の熱電発電装置
   。 ４、一方の熱電発電器の熱電素子集合体の高温側と他方
   の熱電発電器の熱電素子集合体の高温側とが対向してい
   て、高温流体の流路がその間に形成されている請求項１
   、２または３記載の熱電発電装置。 ５、多数の熱電発電器を有し、かつ、それら熱電発電器
   間の電気的接続が、直列、並列、直列と並列の組み合わ
   せ、のいずれかになつている請求項１、２、３または４
   記載の熱電発電装置。 ６、Ｐ型アモルファス半導体熱電素材およびＮ型アモル
   ファス半導体熱電素材が、ともに、ＦｅＳｉ＿２からな
   る請求項１、２、３、４または５記載の熱電発電装置。 ７、熱電素子の低温側から熱を奪う低温流体が水である
   請求項１、２、３、４、５または６記載の熱電発電装置
   。 ８、熱電素子の高温側に熱を与える高温流体が高温溶融
   金属である請求項１、２、３、４、５、６または７記載
   の熱電発電装置。 ９、高温溶融金属が高温溶融ナトリウムである請求項８
   記載の熱電発電装置。 １０、熱電素子の高温側に熱を与える高温流体が高温ガ
   スである請求項１、２、３、４、５、または７記載の熱
   電発電装置。 １１、高温ガスが高温ヘリウムガスである請求項１０記
   載の熱電発電装置。 １２、高温ガスが高温燃焼ガスである請求項１０記載の
   熱電発電装置。 １３、高温ガスが高温燃焼排ガスである請求項１０記載
   の熱電発電装置。 １４、高温溶融ナトリウムの流路がＵ字形になつており
   、水の流路が前記Ｕ字形に対して向流形式の逆Ｕ字形に
   なつている請求項９記載の熱電発電装置。