JPH10201269A - 熱併給発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料の燃焼により発生するエネルギを効率よ
く利用する。 【解決手段】 上下方向に貫通した金属製のハニカム構
造体の表面に触媒を担持させた触媒燃焼器１内部に供給
された燃料は触媒により表面燃焼される。そして、触媒
燃焼器１の上面に設けられた熱伝達部材２から直接熱エ
ネルギを取り出す一方、触媒燃焼器１に一方の面が接続
され、他方の面には冷却フィン６が接続された、熱電変
換素子５では、両面に生じた温度差に応じた発電がなさ
れる。冷却フィン６は、冷却ファン11からの送風と、燃
料供給器14から供給された燃料の気化熱とで効率的に冷
却される。これにより、熱電変換素子５両面の温度差が
拡大して、さらに効率的な発電がなされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エネルギとして電
気と熱とを併せて利用する熱併給発電装置に関し、特
に、熱電変換素子を用いた熱併給発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、可搬型の電源として、熱電変換素
子を利用して発電するものが種々提案されている。熱電
変換素子での発電は、エンジン発電機などに比べ静粛で
あり、電気化学反応を利用した二次電池などに比べ、燃
料を供給する等して熱源を確保すれば長時間連続して使
用できる点で優れている。

【０００３】しかし、熱電変換素子はエネルギ変換効率
が低く、熱源から排出される熱エネルギの多くが浪費さ
れてしまうため、これら熱エネルギをいかに多く回収す
るかが課題となっている。この点、例えば、特開平7-11
1344号公報に記載されたものでは、多孔性熱電変換素子
の低温側表面を燃料の気化熱で冷却する一方、高温側表
面を燃料の触媒燃焼により加熱し、両面の温度差を拡大
することでエネルギ変換効率を高めることができる、と
している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような工夫をもってしても、熱電変換素子単独のエネル
ギ変換効率を改善することには限界があり、燃料の燃焼
によって発生した熱エネルギの多くは回収されずに排出
されてしまうという問題点があった。本発明はこのよう
な従来の問題点に鑑み、エネルギを効率よく利用するこ
とのできる熱併給発電装置を提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に係
る発明では、両面の温度差により発電する板状の熱電変
換素子と、該熱電変換素子の一方の面に取り付けられた
熱源と、前記熱電変換素子の他方の面に取り付けられた
冷却フィンと、前記熱電変換素子が発生する電力の一部
によって駆動され、前記冷却フィンに送風する冷却ファ
ンと、を含んで構成される。

【０００６】このように構成された熱併給発電装置で
は、熱源から排出された熱エネルギを熱電変換素子で電
気エネルギに変換して取り出すほか、加熱された気体を
介し、または輻射熱として直接熱エネルギを利用するこ
とにより、エネルギの回収効率を向上する。また、請求
項２に係る発明では、前記熱源は、前記熱電変換素子の
取付け面以外に、外部に熱エネルギを伝達する熱伝達面
を有し、これを介して被加熱物に効率的に熱エネルギを
供給する。

【０００７】また、請求項３に係る発明では、前記熱源
として、燃料を燃焼することにより熱エネルギを発生す
る燃焼器を用い、燃料を供給することにより長時間連続
して稼動できるようにする。また、請求項４に係る発明
では、前記燃焼器として触媒燃焼器を用いる。これによ
り、例えば、炎による直接的な加熱のように、局所的に
温度が上昇するのを防止して、熱電変換素子全体を均等
に加熱する。

【０００８】また、請求項５に係る発明では、前記触媒
燃焼器として、軸線が前記熱電変換素子の板面に平行で
両端が開口したハニカム構造体の表面に、燃料を表面燃
焼する触媒を担持させた触媒燃焼器を用いる。これによ
り、加熱された気体を介して直接利用する熱エネルギの
利用効率を低下させることなく、同時に効率よく熱電変
換素子にも熱エネルギを供給できるようにする。

【０００９】また、請求項６に係る発明では、前記冷却
ファンは、前記冷却フィンを内包する吸気通路の一端開
口部に取り付けられ、該吸気通路の他端は前記触媒燃焼
器の吸気口近傍に開口する構成とし、冷却ファンからの
送風で冷却フィンを冷却する一方、冷却フィンとの熱交
換で暖められた空気を触媒燃焼器に供給する。また、請
求項７に係る発明では、前記触媒燃焼器に燃料を供給す
る燃料供給器は、噴孔部を前記吸気通路に臨ませて配設
され、前記冷却フィンおよび前記熱電変換素子の他方の
面は、供給された燃料により冷却されるように構成し、
燃料との熱交換により冷却フィンおよび熱電変換素子の
他方の面の冷却効率を向上する。

【００１０】また、請求項８に係る発明では、前記触媒
燃焼器の吸気口近傍にヒータを設け、燃焼開始時に、ヒ
ーターで燃料の気化と触媒の加熱とを行なうことによ
り、短時間で定常燃焼状態にする。また、請求項９に係
る発明では、前記熱電変換素子の発生する電力を充電す
る一方、前記ヒータに電力を供給する蓄電池を備え、電
気エネルギを貯蔵できるようにして、ヒータの電源を確
保する。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は、本発明の熱併給発電装置
の一態様を示す全体斜視図である。また、図２は同装置
の概略を示す正面縦断面図であり、図３は平面横断面図
（図２のＡ−Ａ矢視断面図）である。以下、図１〜図３
を同時に参照して説明する。

【００１２】熱源としての触媒燃焼器１は、上下面に開
口した金属製のハニカム構造体の表面に触媒を担持させ
たものである。この触媒燃焼器１内部に供給された燃料
は触媒により表面燃焼され、触媒燃焼器１全体が均等に
加熱される。ハニカム構造体としては、通常当該分野で
使用されるものであればいずれも使用可能であり、特に
コージェライト、ムライト、チタン酸アルミニウムライ
ト、α−アルミナ、ジルコニア、チタニア、スポンジュ
メン、アルミノシリケート、窒化ケイ素などの耐熱セラ
ミックのものや、高温耐熱性ステンレス鋼、例えばＦｅ
を主成分としＣｒ組成が17〜21％、Ａｌ組成が 2.5〜
6.0％、希土類元素組成が0.02〜0.50％であるものを使
用するのが望ましい。

【００１３】また、触媒としては、アルミナ・シリカ、
シリカ・アルミナ、チタニア等にＰｔ、Ｐｄ、Ｃｅ、お
よびＲｈのうち少なくとも１種類の触媒成分を含有させ
たものが使用される。このうち、特に触媒能力の高いＰ
ｔまたはＰｄが好ましく用いられる。触媒燃焼器１の上
面（熱伝達面）には、触媒燃焼器１上面の開口１ｂ（排
気口）を閉塞しないように複数の孔３が設けられた板状
の熱伝達部材２が取り付けてある。

【００１４】また、触媒燃焼器１の側面には、高い熱伝
導度を有する金属製の伝熱板４を介して、熱電変換素子
５の一方の面が接合されている。そして、熱電変換素子
５の他方の面には冷却フィン６が接合されており、熱電
変換素子５の両面に温度差が生じるように構成されてい
る。この熱電変換素子５からは、定電圧回路７を介して
直流電流が取り出され、余剰分は蓄電池８に貯えられ
る。

【００１５】冷却フィン６は、断熱材で形成された吸気
通路９に内包されており、吸気通路９の吸入側開口部９
ａには、熱電変換素子５で発電された電力の一部で駆動
される電動モータ10と、その出力軸に取り付けられた冷
却ファン11とが設けてある。冷却フィン６には、吸気通
路９に取り込まれた空気の流れを妨げないよう、気流と
平行にフィンが突設されている。

【００１６】また、吸気通路９の排出側開口部９ｂは、
触媒燃焼器１の下部に開口する吸気口１ａに連通してい
る。この吸気口１ａの近傍には、蓄電池８からの電力に
より加熱されるヒータ12が設けてある。また、触媒燃焼
器１の上部に開口する排気口１ｂの近傍には、圧電着火
装置13が設けてある。そして、燃料供給器14は、冷却フ
ィン６表面に燃料が噴出されるように、ノズル先端を吸
気通路９内部に臨ませて設けてある。燃料としては、ア
ルコール、ガソリン、灯油等を主成分とする液体燃料
や、プロパン、ブタン、ＬＰＧなどの気体燃料を利用す
ることができる。

【００１７】このような構成の熱併給発電装置では、先
ず、燃料供給器14から燃料が供給されると、その一部が
触媒燃焼器１に到達し、触媒による表面燃焼が開始され
る。このとき、蓄電池８を電源としたヒータ12により触
媒燃焼器１と燃料を含んだ空気とを加熱すれば、より速
く定常燃焼状態にすることができる。さらに、燃焼の開
始時に圧電着火装置13で着火を補助することにより、迅
速に燃焼を開始することができる。ヒータ12への通電
は、触媒燃焼器１が定常燃焼状態に達した後、速やかに
切断される。

【００１８】そして、発生した熱エネルギが触媒燃焼器
１全体に伝達されると、この熱エネルギの一部は、触媒
燃焼器１上面に取り付けられた熱伝達部材２上に載置さ
れた被加熱物（例えば、ヤカンや鍋などの調理器具）
に、熱伝達部材２を介して効率よく伝達されるほか、孔
３を介して上昇する加熱された気体によっても伝達され
る。さらには、触媒燃焼器１からの輻射熱によっても熱
エネルギが伝達される。

【００１９】一方、触媒燃焼器１側面に取り付けられた
熱電変換素子５の一方の面にも熱エネルギが伝達され、
熱電変換素子５の両面に温度差を生じる。熱電変換素子
５では、両面の温度差に応じた発電がなされ、この電力
が定電圧回路７を介して取り出されると共に、電動モー
タ10に供給される。そして、電動モータ10の出力軸に取
り付けられた冷却ファン11が回転して、吸気通路９内に
外部から空気を吸入する。このとき、冷却フィン６の温
度は、触媒燃焼器１から熱電変換素子５を介して伝達さ
れた熱で上昇しているが、冷却ファン11の送風により強
制的に冷却される。

【００２０】さらに、液体燃料を用いた場合には、燃料
供給器14のノズルから噴霧された燃料が冷却フィン６の
表面で気化することにより、気化熱による冷却がおこ
る。また、気体燃料を用いた場合には、顕熱による冷却
がおこる。冷却ファン11からの送風に加え、これら燃料
による冷却で、冷却フィン６の温度はさらに低下する。
そして、熱電変換素子５の両面の温度差が拡大して、発
電効率が向上する。

【００２１】上述のように、冷却ファン11の回転により
外部から吸入された空気は、冷却フィン６の表面で気化
された（または、熱交換により暖められた）燃料を包摂
し、吸気通路９を介して、Ｂ矢印で示した経路で触媒燃
焼器１の下部に設けられたハニカム状の吸気口１ａに到
達する。そして、触媒燃焼器１の内部に進入した空気お
よび燃料は、冷却フィン６との熱交換により温度が上昇
した状態で供給されるため、触媒表面で効率的に燃焼さ
れて、熱エネルギを発生する。

【００２２】このような過程が継続されることにより、
触媒燃焼器１での発熱と熱電変換素子５での発電とが増
大して、熱エネルギと電力エネルギとを効率的に取り出
すことが可能になる。この熱併給発電装置は携帯可能で
あり、燃料さえ入手可能であれば使用場所を選ばず、容
易に熱と電力とを得ることができる。また、騒音を発生
することもないため、キャンプ等で、調理用コンロや発
電機として使用するのにも適している。

【００２３】尚、上述の例では、触媒燃焼器１の側面に
熱電変換素子５を１つだけ設けた構成としたが、例えば
触媒燃焼器１が直方体である場合には、４つの側面それ
ぞれに同様の熱電変換素子を設けた構成としてもよく、
熱電変換素子の数を増やすことでより多くの電力エネル
ギを得ることができる。また、冷却フィン６の熱電変換
素子５との接合面に孔を設け、熱電変換素子５の他方の
面の一部が吸気通路９内に露出するようにして、燃料供
給器14から供給された燃料により、熱電変換素子５の他
方の面が直接冷却される構成としてもよい。

【００２４】また、熱源としては、触媒燃焼以外の燃焼
方法を用いたものでもよい。しかし、触媒燃焼器では、
担持された触媒によって燃焼器の表面全体で燃焼がおこ
り、発生した熱も触媒燃焼器全体に均等に分布するのに
対し、通常の発火による燃焼、例えば、ライターのよう
に噴射したガスに着火したような場合には、炎の内部に
も大きな温度勾配が存在し、燃焼によって発生した熱を
熱電変換素子の板面全体に均等に伝達するのが困難であ
る。このように、触媒燃焼器を用いた場合には、板状の
熱電変換素子の一方の面全体に均等に熱を伝達するのが
容易であるため、他の燃焼方法を用いた場合よりも、熱
電変換素子によるエネルギーの変換効率が優れている。

【００２５】また、燃料としては、前述した気体燃料や
液体燃料に代えて、アルコール、ガソリン、灯油等を主
成分とする固形燃料を用いることもできる。この場合、
触媒燃焼器の下部に設けられた空間に固形燃料を載置す
ることで、固形燃料から自然に揮発した燃料成分が触媒
燃焼器に到達し、燃焼が開始される。その後、燃焼が進
むにつれて、触媒燃焼器からの輻射熱で固形燃料がさら
に気化し、発生した電力で回転されるファンからの送風
により触媒燃焼器に供給される。このファンから送風は
冷却フィン表面での熱交換により暖められているため、
さらに固形燃料が気化するのを加速することになる。こ
のようにして、触媒燃焼器での燃焼と熱電変換素子での
発電とが継続して行われるようになる。

【００２６】固形燃料による燃焼および発電を中止する
には、別に設けたシャッターで固形燃料を覆う等して、
触媒燃焼器への燃料の供給を遮断すればよい。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る発
明によれば、熱源から排出された熱エネルギを電気エネ
ルギに変換して利用すると共に、熱エネルギとして直接
利用することができるため、エネルギの回収効率が向上
するという効果がある。また、熱源に供給する燃料のみ
で稼動させることができ、騒音もないため、時間的、場
所的に広い範囲で使用できるという効果もある。

【００２８】また、請求項２に係る発明では、熱源から
被加熱物への熱エネルギの受け渡しを円滑にすることが
できる。また、請求項３に係る発明では、燃料を供給す
ることで、長時間連続して稼動させることができ、電気
エネルギおよび熱エネルギを安定して供給できるという
効果がある。

【００２９】また、請求項４に係る発明によれば、熱電
変換素子全体に均等に熱を伝達することができるので、
高い変換効率を得ることができるという効果がある。ま
た、炎による局所的な加熱により許容範囲を越える温度
になるといったおそれが少なく、安全に使用できるとい
う効果もある。また、請求項５に係る発明によれば、ハ
ニカム構造体の触媒燃焼器内で加熱された気体を介し
て、被加熱物に効率よく熱エネルギを供給する一方、熱
電変換素子にも熱エネルギを供給し発電できるため、よ
り高いエネルギの利用効率が得られるという効果があ
る。

【００３０】また、請求項６に係る発明によれば、冷却
ファンからの送風で冷却フィンを冷却する一方、冷却フ
ィンとの熱交換で暖められた空気を触媒燃焼器に供給す
ることにより、触媒燃焼器での燃料の燃焼がより円滑に
なるという効果がある。また、請求項７に係る発明によ
れば、燃料との熱交換により冷却フィンおよび熱電変換
素子の他方の面の冷却効率を向上すると共に、冷却フィ
ンおよび熱電変換素子の表面で気化された（または暖め
られた）燃料を触媒燃焼器に供給して、燃焼効率を向上
できる。

【００３１】そして、触媒燃焼器の燃焼効率の向上と、
冷却フィンの冷却効率の向上とで、熱電変換素子の両面
の温度差が拡大され、より大きな電力を得ることができ
るという効果がある。また、請求項８に係る発明によれ
ば、燃焼の開始時にヒータで加熱することにより、速や
かに定常燃焼状態とすることができ、電気エネルギおよ
び熱エネルギの安定した供給が可能になるという効果が
ある。

【００３２】また、請求項９に係る発明によれば、熱電
変換素子で発生した電力を蓄電池に貯えることにより、
より有効にエネルギを利用できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の一形態を示す全体斜視図

【図２】 同上の正面縦断面図

【図３】 同上の平面横断面図（図２のＡ−Ａ矢視断面
図）

【符号の説明】

１ 触媒燃焼器 ２ 熱伝達部材 ４ 伝熱板 ５ 熱電変換素子 ６ 冷却フィン ８ 蓄電池 ９ 吸気通路 10 電動モータ 11 冷却ファン 12 ヒータ 13 圧電着火装置 14 燃料供給器

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両面の温度差により発電する板状の熱電変
   換素子と、 該熱電変換素子の一方の面に取り付けられた熱源と、 前記熱電変換素子の他方の面に取り付けられた冷却フィ
   ンと、 前記熱電変換素子が発生する電力の一部によって駆動さ
   れ、前記冷却フィンに送風する冷却ファンと、 を含んで構成される熱併給発電装置。
2. 【請求項２】前記熱源は、前記熱電変換素子の取付け面
   以外に、外部に熱エネルギを伝達する熱伝達面を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱併給発電装置。
3. 【請求項３】前記熱源は、燃料を燃焼することにより熱
   エネルギを発生する燃焼器である請求項１または請求項
   ２に記載の熱併給発電装置。
4. 【請求項４】前記燃焼器は、触媒燃焼器である請求項３
   に記載の熱併給発電装置。
5. 【請求項５】前記触媒燃焼器は、軸線が前記熱電変換素
   子の板面に平行で両端が開口したハニカム構造体の表面
   に触媒を担持させた触媒燃焼器である請求項４に記載の
   熱併給発電装置。
6. 【請求項６】前記冷却ファンは、前記冷却フィンを内包
   する吸気通路の一端開口部に取り付けられ、該吸気通路
   の他端は前記触媒燃焼器の吸気口近傍に開口する請求項
   ４または請求項５に記載の熱併給発電装置。
7. 【請求項７】前記触媒燃焼器に燃料を供給する燃料供給
   器は、噴孔部を前記吸気通路に臨ませて配設され、前記
   冷却フィンと前記熱電変換素子の他方の面とのうち少な
   くとも一方の表面に燃料が供給される請求項６に記載の
   熱併給発電装置。
8. 【請求項８】前記触媒燃焼器の吸気口近傍に、ヒータを
   設けた請求項４〜請求項７のいずれか１つに記載の熱併
   給発電装置。
9. 【請求項９】前記熱電変換素子の発生する電力を充電す
   る一方、前記ヒータに電力を供給する蓄電池を備えた前
   記請求項８に記載の熱併給発電装置。