WO2015098025A1

WO2015098025A1 - 熱光起電力発電装置、及び熱光起電力発電方法

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Publication number: WO2015098025A1
Application number: PCT/JP2014/006208
Authority: WO
Inventors: 雅芳角野
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2015-07-02
Also published as: JPWO2015098025A1

Abstract

　熱光起電力発電装置では、発電効率を維持したまま出力を増大させることが困難である。本発明による熱光起電力発電装置は、管状の燃焼室と、上記管状の燃焼室の内部に設置されたエミッタと、上記管状の燃焼室の内部に燃料ガスの旋回流を発生させる旋回流発生手段と、上記エミッタからの放射光を電気に変換する光電変換素子と、を有する。

Description

熱光起電力発電装置、及び熱光起電力発電方法

　本発明は、熱光起電力発電装置及び熱光起電力発電方法に関し、特に加熱されたエミッタからの放射光を光電変換素子で受光して発電する熱光起電力発電装置及び熱光起電力発電方法に関する。

　燃料を用いた熱光起電力（TPV: Thermophotovoltaic）発電装置は、燃焼器などでエミッタと呼ばれる赤外線放射体を加熱し、エミッタからの放射光を光電変換素子で受光して発電する発電装置である。

　熱光起電力発電は、種々の熱源を利用可能であり、放射スペクトルを制御することにより高効率な発電が期待できる。また液体燃料或いは気体燃料を用いた熱光起電力発電は、機械的なエンジン発電より静かでかつ運搬が容易なため、今後広く用いられる可能性がある。しかしながら、小型の機械エンジン発電では１５％程度の発電効率が得られているが、熱光起電力発電の効率は１２％程度である。今後、熱光起電力発電を普及させるためには、効率と出力の向上が必要である。

　熱光起電力発電の出力は、エミッタの温度とエミッタから放出される光の放出面積で決まる。つまりエミッタの温度が高く、光の放出面積が大きいほど、大きい出力が得られる。多くの場合、エミッタには、高温の加熱に耐えられるタングステンなどの金属やアルミナなどの酸化物が用いられる。しかしながら１０００℃以上の高温時に金属は酸化劣化しやすいため、高出力用のエミッタには主に酸化物材料が用いられる。しかしながら装置の断熱性能などを考慮すると、通常エミッタの温度は８００℃～１５００℃程度に制限される場合が多い。従って、さらに出力を増大させるにはエミッタを大きくするのが有効である。またこれらのエミッタ温度で放出される放射スペクトルの波長ピークは２～３μｍである。そのため光電変換素子の光吸収層には、バンドギャップ波長が１．６μｍ～２．５μｍ程度の半導体材料が用いられている。

　熱光起電力発電の全効率は、燃料の利用効率（η_Ｆｕｅｌ）、波長スペクトル効率（η_λ）、光取り込み効率（η_Ｖｉｅｗ）、光電変換効率（η_ＰＶ）を掛け合わせた値になる（熱光起電力発電の効率∝η_Ｆｕｅｌ×η_λ×η_Ｖｉｅｗ×η_ＰＶ）。η_Ｆｕｅｌは燃料エネルギが加熱されたエミッタの放出光エネルギに変換される割合である。η_Ｆｕｅｌは、熱交換器の使用により、７０％以上の値が得られている。η_λは、エミッタの放出光の波長スペクトルの内、光電変換素子で光電変換できる波長スペクトルの占める割合である。η_λは波長選択エミッタや波長選択フィルタなどの使用により６０％以上の値が得られている。η_Ｖｉｅｗはエミッタから放出される光の内、光電変換素子に照射される光の割合である。η_Ｖｉｅｗを高めるためには光電変換素子をエミッタに近接して設置しなければならない。η_ＰＶは光電変換素子の光電変換効率である。η_ＰＶはＧａＳｂ素子で３０％程度の値が得られているが、素子の改良でまだ向上する余地がある。また光電変換効率は素子温度が増加すると低下するため、通常、素子背面にヒートシンクと空冷ファンを設置して素子温度の上昇を防止することが行われている。

　特許文献１は円筒型熱光発電装置に関するものであり、円筒状に形成されたエミッタの内部空洞部分及びエミッタの外部に燃料ガスと空気との混合ガスを供給し、通過する高温の燃焼ガスでエミッタを加熱することが提案されている。特許文献１の円筒型熱光発電装置では、加熱されたエミッタからの赤外光をエミッタの外側に配置された光電変換セルに入射させ、電力に変換している。

　特許文献２は熱光起電力発電装置に関するものである。図２４を参照して、特許文献２の熱光起電力発電装置を説明する。円筒型のエミッタ３０１内に、開放端を有する円筒型の燃焼管３０４が配置されている。燃焼管３０４の内側の下端には、バーナ３０２が配置されている。エミッタ３０１の外側には光電変換セルアレイ３０３が配置されている。熱光起電力発電装置に導入された燃焼気体３０６は装置の下方から燃焼管３０４の内部に導入される。燃焼気体３０６は燃焼管３０４の下方に配置されたバーナ３０２で加熱されて燃焼管３０４内で燃焼する。この燃焼によりエミッタ３０１が加熱され、エミッタ３０１は赤外線エネルギ３０５を放出する。エミッタ３０１の外側に配置された光電変換セルアレイ３０３は赤外線エネルギ３０５を受けて、電気エネルギに変換する。燃焼気体３０６は燃焼管３０４内を上昇し、燃焼管３０４の外側を降下して排出気体３０７として装置外部に排出される。この熱光起電力発電装置は排出気体により空気を加熱する熱交換器を備えているため、高い燃焼効率を達成している。

　特許文献３は熱光発電装置に関するものであり、円筒形のエミッタの内側にエミッタの一端から燃料ガスと空気とをそれぞれ導入し、エミッタの内側で混合させて燃焼させることが提案されている。さらに特許文献３では、円筒形のエミッタの外側に配置された光電変換セルでエミッタからの放射エネルギを電気エネルギに変換することが提案されている。

　特許文献４は管状火炎バーナに関するものであり、一端が開放され、他端部には管軸方向に沿って長いスリットが形成された管状の燃焼室を有する。さらに、特許文献４の管状火炎バーナは、先端部の形状が偏平でかつその開口面積が縮小された燃料ガスと酸素含有ガスよりなる予混合気を吹き込むノズルを有する。予混合気を吹き込むノズルは、スリットに接続され、燃焼室の内壁面の接線方向に向けて設けられている。特許文献４の管状火炎バーナでは、上記予混合気の吹き込みにより燃焼室内に旋回流を発生させ、管状火炎を発生させている。

　特許文献５は管状火炎バーナに関するものであり、一端が開放された管状の燃焼室を有する。さらに、特許文献５の管状火炎バーナは、この燃焼室の他端部に先端部が偏平でかつその開口面積が縮小された酸素含有ガスを吹き込むノズルを有する。このノズルは、燃焼室の内壁面の接線方向に向けて設けられている。さらに、特許文献５の管状火炎バーナは、液体燃料の噴射弁が酸素含有ガスのノズルが配置されている位置と同一の周面に設けられている。特許文献５の管状火炎バーナでは、酸素含有ガスの吹き込みにより燃焼室内に旋回流を形成し、液体燃料を酸素含有ガスの旋回流と同一方向に向けて噴射させている。

　燃焼装置でＮＯ_ｘの生成を抑制する技術としては、排出ガス再循環（EGR: Exhaust Gas Recirculation）がある。燃焼排出ガスの一部を燃焼用空気に混入して燃焼させ、火炎の最高温度を低下させることにより窒素酸化物の発生を抑制する。排出ガスを混入した燃焼用の空気は通常に比べて酸素濃度が低く、従って燃焼速度を遅らせることができ、火炎温度の上昇を抑え、これによりサーマルＮＯ_ｘの生成を抑制することができる。排出ガス再循環は、自動車排気ガス中の窒素酸化物を低減させる技術として広く用いられている。

　特許文献６や特許文献７では、特許文献４や特許文献５と同様な技術分野の管状火炎バーナが提案されている。特許文献８では、円筒状燃焼室内部の混合気の旋回を利用した燃焼器が提案されている。

特開２００２－３１５３７１号公報米国特許第６４８９５５３号明細書特開２００５－１１９３７号公報特開平１１－２８１０１５号公報特開平１１－２８１０１８号公報特開２０１３－７９７３４号公報特開２０１２－２５１７６１号公報特開２００４－５３１４４号公報

　しかしながら、上述した背景技術の光電変換発電装置には、以下のような課題がある。

　光電変換発電装置の出力を増大させるためには、円状に配列するエミッタの円の直径を大きくするか、エミッタを長くしなければならない。前者の場合、エミッタに接して加熱する排出ガスの量が相対的に減少するので、エミッタの加熱効率が低下してしまう。後者の場合、特許文献１、特許文献２や特許文献３のような光電変換発電装置では、エミッタの一端を加熱する構造であるため、エミッタを均一に加熱することができず、エミッタの長手方向に温度勾配が生じてしまう。特に、熱伝導率が金属の１／１０以下である酸化物エミッタは、温度勾配が大きい。このため、エミッタからの放射光の強度が、エミッタの長手方向で不均一になる。加熱されるエミッタの端部から遠ざかるにつれて、エミッタからの放射光の強度が低下するため、発電効率が低下する。

　本発明の目的は、背景技術の熱光起電力発電装置では、発電効率を維持したまま出力を増大させることが困難である、という課題を解決する熱光起電力発電装置、及び熱光起電力発電方法を提供することにある。

　上述の目的を達成するため、本発明に係る熱光起電力発電装置は、管状の燃焼室と、上記管状の燃焼室の内部に設置されたエミッタと、上記管状の燃焼室の内部に燃料ガスの旋回流を発生させる旋回流発生手段と、上記エミッタからの放射光を電気に変換する光電変換素子と、を有する。

　本発明に係る熱光起電力発電方法は、燃料ガスの旋回流を発生させ、上記旋回流により管状火炎を生成し、
　エミッタを上記管状火炎で加熱し、加熱された上記エミッタからの放射光を受光し電気に変換する。

　本発明によれば、発電効率を維持したまま、光電変換発電装置の出力を増大させることができる。

本発明の第１実施形態の熱光起電力発電装置の外観図である。図１の熱光起電力発電装置の上面図である。図１の熱光起電力発電装置の断面図である。図１の熱光起電力発電装置の可燃性ガスの注入部の形状を示す斜視図である。図１の延長管の断面構造と作用の説明図である。本発明の第２実施形態の熱光起電力発電装置の外観図である。図６の熱光起電力発電装置の内部を示す斜視図である。図６の熱光起電力発電装置の内部構成を示す上面図である。図６の熱光起電力発電装置の断面図である。図６の熱光起電力発電装置の部分拡大断面図である。本発明の第３実施形態の熱光起電力発電装置の外観図である。図１１の熱光起電力発電装置の内部を示す斜視図である。図１１の熱光起電力発電装置の内部構成を示す上面図である。図１１の熱光起電力発電装置の断面図である。図１１の熱光起電力発電装置の燃料導入口の内部形状を示す斜視図である。図１１の熱光起電力発電装置の燃焼用空気導入口の断面図である。本発明の第３実施形態の熱光起電力装置の熱交換器の外観図である。（ａ）は本発明の実施形態による管状火炎の態様を示す斜視図であり、（ｂ）は背景技術の火炎の態様を示す斜視図である。背景技術のエミッタの温度と放出光エネルギ密度の距離依存性を示すグラフである。本発明の実施形態によるエミッタの温度と放出光エネルギ密度の距離依存性を示すグラフである。当量比φを変えた時の管状火炎の長さの空気流量依存性を示すグラフである。本発明の実施形態による熱光起電力装置のエミッタ温度の当量比依存性を示すグラフである。本発明の実施形態による熱光起電力発電装置の排出ガス中のＮＯ_ｘ濃度の当量比依存性を示すグラフである。特許文献２の熱光起電力発電装置の断面図である。

　本発明の好ましい実施形態について説明する前に、本発明の概要について説明する。

　本発明の熱光起電力発電装置は、管状の燃焼室と、上記管状の燃焼室の内部に設置されたエミッタと、上記管状の燃焼室の内部に燃料ガスの旋回流を発生させる旋回流発生手段と、上記エミッタからの放射光を電気に変換する光電変換素子と、を有する。

　本発明の熱光起電力発電方法は、燃料ガスの旋回流を発生させ、上記旋回流により管状火炎を生成し、エミッタを上記管状火炎で加熱し、加熱された上記エミッタからの放射光を受光し電気に変換するものである。管状火炎は、図１８（ａ）に示されるような、管状をなす火炎である。

　或いは本発明の熱光起電力発電装置は、上述の熱光起電力発電装置において、光電変換素子が管状の燃焼室の内壁に設置された特徴を有するものである。或いは本発明の熱光起電力発電装置は、上述の熱光起電力発電装置において、管状の燃焼室の内部に内挿管を有し、内挿管の内部に光電変換素子が設置され、内挿管の少なくとも一部が赤外光又は赤外線を透過させる特徴を有するものである。或いは本発明の熱光起電力発電装置は、上述の熱光起電力発電装置において、光電変換素子が管状の燃焼室の外部に設置され、管状の燃焼室の少なくとも一部が赤外光又は赤外線を透過させる特徴を有するものである。或いは本発明の熱光起電力発電装置は、管状の燃焼室の開放端部に設けられた延長管と、燃焼室と延長管とを断熱する手段と、を有するものである。或いは本発明の熱光起電力発電装置は、旋回流発生手段として管状の燃焼室内に燃料を供給する複数の燃料注入部を備え、この複数の燃料注入部は、管状の燃焼室の接線方向に回転対称に取り付けられた特徴を有するものである。或いは本発明の熱光起電力発電装置は、上記旋回流発生手段の一例として、燃料と酸素含有ガスを別々に吹き込む複数の注入部と、燃焼後の排出ガスを用いて燃料或いは酸素含有ガスの温度を高める熱交換器と、を備えるものである。或いは本発明の熱光起電力発電装置は、加熱後の酸素含有ガスの導入管が燃焼室の内部に設置された特徴を有するものである。

　本発明の管状の燃焼室は、その中心軸に対し実質的に垂直な断面が、円形、楕円形及び多角形のいずれか一つの形状を有する燃焼室である。

　本発明の実施形態に用いる透明燃焼管或いは内挿管は、その少なくとも一部が赤外光又は赤外線を透過させる特性を有するものである。このような赤外光又は赤外線を透過させる材料としては、シリカガラス、水晶、サファイア、ＺｎＳｅなどがある。サファイアや、ＯＨ基の含有量を制御したシリカガラスなどは、広い波長範囲の赤外線を透過させるので、本発明に適した材料である。シリカガラスのＯＨ基含有率は、１０ｐｐｍ以下のものが利用可能である。例えば、真空又は不活性ガス中で電気炉を用いて石英を溶融して作製したシリカガラス、或いは光ファイバの製造に用いられるような、ＳｉＣｌ_４を原料に用い、高周波誘導プラズマ法（雰囲気：酸素、Ａｒ）で合成されたシリカガラスを用いることができる。また、アルキルシリケートから電気炉によるスート合成法で合成されたシリカガラス、或いはＨ_２ＳｉＦ_６或いはシリカゲルからＬＰＤ（Liquid Phase Deposition）法で液相から析出合成されたシリカガラスなどを用いることができる。一方、石英を用いた火炎溶融やＳｉＣｌ_４を用いた直接法で形成したシリカガラスは、ＯＨ基が１００ｐｐｍ以上あり、赤外光の吸収率が大きい。

　本発明のエミッタは、内部が空洞の円管形状のエミッタを含む。さらに、本発明のエミッタは、内部が空洞でない円柱形状のエミッタを含む。さらに、本発明のエミッタは、中心軸に対し所定距離を隔てて多数の円柱形状のエミッタ要素が配列されてエミッタを構成している態様も含むこととする。すなわち、管状のエミッタの略円周上に多数の円柱形状のエミッタ要素が配列され、多数の円柱形状のエミッタ要素により管状のエミッタの外壁や内壁に相当する表面を構成しているような態様も本発明に含まれるものとする。

　〔第１実施形態〕
　　次に、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。初めに、本発明の第１実施形態による熱光起電力発電装置及び光電変換発電方法について、説明する。図１は、本発明の第１実施形態の熱光起電力発電装置の外観図である。図２は、図１の熱光起電力発電装置の上面図である。図３は、図１の熱光起電力発電装置の長手方向に沿った断面図である。図４は、図１の熱光起電力発電装置の可燃性ガスの注入部の形状を示す斜視図である。図５は、図１の延長管の断面構造と作用の説明図である。

　本実施形態の熱光起電力発電装置は、中心軸に対し実質的に垂直方向の断面が、多角形をなしている、管状の燃焼室を有する。本実施形態では管状の燃焼室は、支持円管部２２と、六角燃焼管２４と、延長管２７と、を有する。六角燃焼管２４と支持円管部２２とは、ほぼ同じ直径を有する。本実施形態の六角燃焼管２４は、図１や図２に示すように、中心軸に対し実質的に垂直方向の断面が六角形をなしている。

　さらに本実施形態の熱光起電力発電装置は、中心軸が六角燃焼管２４の中心軸と実質的に平行であり、六角燃焼管２４の内側に配置された管状のエミッタ２９を有する。本実施形態のエミッタ２９は円柱形状のスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）からなり、管状の燃焼室の中央部に設置されたエミッタ支持台３０の円周上に設置されている。さらに本実施形態の熱光起電力発電装置は、六角燃焼管２４の平坦な内壁に設置された光電変換素子３１を有する。

　エミッタ２９の外直径は、光電変換素子３１が室温に維持されるような間隙が確保できるように設定されている。例えば光電変換素子３１と管状火炎端との間隔が１ｃｍくらいになるように設定されている。空気の熱伝導度は比較的小さいので、光電変換素子３１を室温に保つことができる。なお、図２では管状火炎３２を、黒い帯状の領域で表示している。

　ＧａＳｂ光電変換素子で変換できる１．７μｍ帯での放射光の波長スペクトル強度を増加させるために、エミッタ２９には、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅなどの遷移金属の内、少なくとも１種類の金属元素が質量比で１～３％程度ドーピングされている。これらの金属添加物はスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）のＭｇ位置に存在し、結晶場の影響をうけて、加熱時に１．７μｍの波長近傍で発光する。

　エミッタの形状と個数、設置位置、母体とドーパントの材料は、必ずしも上記実施形態に限定されない。例えば、エミッタの断面形状は、内部が空洞の円管形状に限定されず、内部が空洞でない円柱形状であってよい。或いはエミッタの個数は複数であってもよい。例えば、燃焼管の中心線の周囲に放射状に細い円柱形状のエミッタを配列してもよい。本実施形態のように六角燃焼管を用いた場合には、六角燃焼管の中心線の周囲に放射状に細い円柱形状のエミッタを配列してもよい。さらにその内側に円管或いは円柱形状のエミッタを設置してもよい。

　エミッタの表面積をＳ［ｍ^２］、ステファン・ボルツマン定数をσ（＝５．６７×１０^－８Ｗ／ｍ^２Ｋ^４）、エミッタの絶対温度をＴ［Ｋ］、放射率をεとすると、放射熱量Ｑ［Ｗ］は、

と書ける。例えば、管状の燃焼室の軸を中心とする半径Ｒの円周上に長さＬのエミッタ柱を隙間なく配置した場合、外部に放射するエミッタの表面積Ｓは２πＲＬ～π^２ＲＬとなる。（１）式のように、放射熱量Ｑはエミッタの絶対温度Ｔの４乗に比例するので、大きな出力を得るにはエミッタ温度を上げることが効果的であるが、ＮＯ_ｘ濃度を下げるためには、エミッタ温度を下げた方がよい。

　エミッタは８００℃以上に加熱して使用するので、融点が１０００℃以上の材料をエミッタに採用することが望ましい。加工のし易さを考慮するとエミッタには、融点が３０００℃以下の材料を用いることが望ましい。エミッタ材料は、本実施形態のＭｇＡｌ_２Ｏ_４（スピネル：融点２１３０℃）に限定されない。酸化物エミッタ材料としては、II族金属を有するアルミナ酸塩やシリカ酸塩が適している。或いは、例えばＣａＡｌ_２Ｏ_４、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ：融点２０１５℃）などが適用できる。或いは、例えばＭｇ_２ＳｉＯ_４（カンラン石：融点１８５０℃）、ＭｇＳｉＯ_３（輝石：融点１５６０℃）、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４（融点１５５０℃）などが適用できる。或いは、例えばＭｇＯ（マグネシア：融点２８００℃）、ＣａＯ（カルシア：融点２５７０℃）、ＣａＢＯ_４なども適用できる。或いは、ＺｒＯ_２（融点２６７７℃）、Ｙ_２Ｏ_３（融点２４１０℃）、ＷＯ_３（融点１４７３℃）、Ｎｂ_２Ｏ_４（融点１５２０℃）、ＮｉＯ（融点１９９５℃）などの金属酸化物も適用できる。

　窒化物エミッタ材料としては、ＶＮ（融点２３２３℃）、ＮｂＮ（融点２５７３℃）が比較的成型しやすい。炭化物エミッタ材料では、Ｃｒ_３Ｃ_２（融点２１６８℃）、Ｍｏ_２Ｃ（融点２７９５℃）、ＳｉＣ（融点２７３０℃）が比較的成型しやすい。ホウ化物エミッタ材料では、ＶＢ_２（融点２６７３℃）、ＣｒＢ（融点２３７３℃）、ＣｒＢ_２（融点２４７３℃）が比較的成型しやすい。シリサイド系エミッタ材料では、ＴｉＳｉ_２（融点１７７３℃）、ＺｒＳｉ_２（融点１７９８℃）、ＣｒＳｉ_２（融点１７４８℃）、ＮｂＳｉ_２（融点２２０３℃）が比較的成型しやすい。エミッタ材料として、このような金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物や金属シリサイドも適用できる。

　エミッタは多孔質に限らず、焼結生成体や繊維体でもよい。エミッタ材料は、セラミックではなく、タングステンなどの高融点金属でもよい。高融点金属エミッタの表面には、波長選択構造を形成してもよい。

　本実施形態の光電変換素子３１はＧａＳｂ材料からなる。光電変換素子の材料はＧａＳｂに限定されず、Ｇｅ、Ｓｉ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＳｂなどの材料を用いることもできる。また光電変換素子の表面に波長選択フィルタを設置してもよい。

　光電変換素子３１はＤＣ（直流）出力端子２８から、直流電流を出力する。煩雑さを避けるため、以下の実施形態の説明ではＤＣ出力端子の記載を省略するが、光電変換素子には必ずＤＣ出力端子がついているものとする。

　一般に光電変換素子が受け取る光には、光電変換できない波長成分が含まれている。光電変換できない波長成分に起因して、光電変換素子内部で熱が発生する。その熱を外部に放出し、光電変換素子を室温に保つために、ヒートシンク２５は六角燃焼管２４の外側に設置されている。必要に応じて、外部から冷却ファンなどでヒートシンク２５を冷却してもよい。ヒートシンク２５のフィンの形状は、実施形態の形状に限定されない。

　さらに、本実施形態の熱光起電力発電装置は、図１～図４に示すように、六角燃焼管２４内に燃料を供給する燃料注入部の一例としての、可燃性ガスの注入部３３～３８を有する。この可燃性ガスの注入部３３～３８は、図１～図４に示すように、六角燃焼管２４の長手方向に接続された円筒状の支持円管部２２の接線方向に向けて取り付けられている。

　図４に、本発明の本実施形態の可燃性ガスの注入部の形状を示す。図４から分かるように、支持円管部２２に形成する可燃性ガスの注入部３３の内壁での開口部３９の形状は略正方形である。この開口部３９の形状は、管軸方向に沿った長いスリット状であってよいし、長いスリット状でなくともよい。本実施形態の可燃性ガスの注入部３３～３８は、通路に沿って断面積が一定の形状である。可燃性ガスの注入部３３の断面形状は、四角形に限定されず、円や楕円形状でもよい。

　さらに、本実施形態の熱光起電力発電装置は、六角燃焼管２４内に配置され、可燃性ガスの注入部３３～３８から六角燃焼管２４の内部に供給された燃料に点火する点火部２３を有している。点火部２３は六角燃焼管２４の底部にあり、電気火花を発生させて、燃料に着火する。点火部２３の設置位置は、可燃性ガスの噴射口の近くが良い。ここで可燃性ガスは、炭化水素系ガスと空気とを予混合したものである。

　図３に示すように、支持円管部２２は台座２１の上に固定されている。支持円管部２２は、六角燃焼管２４を支持している。

　支持円管部２２の内側には、エミッタ２９を支える円筒状のエミッタ支持台３０が台座２１の上に固定されている。エミッタ支持台３０は、断熱性の高い材料からなり、エミッタ２９を３点で接触し支えている。

　六角燃焼管２４の開放端には、図３や図５に示すように断熱材２６を挟んで延長管２７が固定されている。図５に示すように、熱光起電力発電装置の稼働時には燃焼室の大部分は未燃焼ガス５４に覆われているため、室温になっている。しかし管状火炎の軸方向の長さが燃焼室の長さより顕著に小さいと、排出ガス５２が六角燃焼管２４を加熱する。排出ガス５２による六角燃焼管２４の加熱により、六角燃焼管２４の内壁に配置された光電変換素子３１の温度が上昇してしまう。逆に、管状火炎の軸方向の長さが燃焼室の長さより顕著に大きいと、未燃焼ガス５４が外部に放出され不完全燃焼しやすい。未燃焼ガス５４が外部に放出され不完全燃焼しやすいと、ＣＯ濃度が上昇する。なお、図５では管状火炎３２を、黒い帯状の領域で表示している。

　本実施形態では、導入される可燃性ガスの流量は、管状火炎の軸方向の長さがほぼ燃焼室の長さになるように、調整される。本実施形態では断熱材２６により、延長管２７は六角燃焼管２４と断熱されている。これにより、仮にガス流量の変動で六角燃焼管２４の開放端に設置された延長管２７が管状火炎で加熱されたとしても、六角燃焼管２４の温度を上昇しにくくすることができる。言い換えると、図５に示すように、延長管２７が管状火炎で加熱され延長管２７に加熱部５３ができても、加熱部５３からの熱が六角燃焼管２４や光電変換素子３１へと伝わりにくくできる。

　次に、本実施形態の熱光起電力発電装置の動作について説明する。空気と炭化水素系ガスを燃焼に適した特定の割合で予混合し、可燃性ガス４０とする。ＮＯ_ｘの濃度を低減するためには、安定な火炎が得られる範囲で、燃料の空気に対する当量比を完全燃焼時の値より小さく制御し、燃料を希薄燃焼させる。次に、可燃性ガス４０を可燃性ガスの注入部３３～３８から燃焼室に噴射する。ここで、可燃性ガスを噴射する燃焼室は、支持円管部２２である。注入部３３～３８の可燃性ガスの注入方向は、図１、図２や図４に示すように、支持円管部２２の接線方向である。これによって燃焼室の内部に可燃性ガスの旋回流を発生させる。可燃性ガス４０を燃焼室内周面の接線方向に噴射することにより、燃焼室内部に六角燃焼管２４の開放端に向かう可燃性ガス４０の旋回流が生じる。

　炭化水素系ガスには、メタン、プロパン、ブタンなどを用いることができる。炭化水素系ガスは高圧保存容器から供給する。空気或いは酸素含有ガスの注入には、回転翼（ファン、ブロワー）或いは気体圧縮機（コンプレッサ）を用いる。炭化水素系ガスなどの可燃性ガスと空気を特定の割合で予混合するために、両者の供給流量を独立に制御する調節器を用いる。

　さらに、点火部２３が発生する電気火花により、可燃性ガス４０に着火する。着火した旋回流は管状火炎を形成して燃焼する。可燃性ガス４０の噴射口が６か所あるので、容易に管状火炎が形成される。高圧で注入されたガスは、温度が低い。注入ガスと空気は低温かつ高密度のために、旋回時の遠心力で燃焼管の内壁近傍に分布する。このため光電変換素子３１は、傍に火炎があるのにも関わらず、ほぼ室温に保たれる。そのため光電変換素子３１を冷却するためのヒートシンク２５などの冷却装置の重量や容量を減らすことができる。そのため運搬に適した光熱起電力発電装置が得られる。また管状火炎は燃焼室を加熱しないので、高い燃焼効率が得られる。

　導入される可燃性ガスの流量を、管状火炎の軸方向の長さがほぼ燃焼室の長さになるように、調整する。具体的な調節方法に関しては後で述べる。燃料は炭化水素系ガスに限定されず、灯油などの液体燃料を噴霧してガス化して注入してもよい。或いは６つの可燃性ガスの注入部３３～３８において、交互に燃料と酸化剤を割り当てて、装置内部で急速混合させて燃焼させてもよい。可燃性ガスの注入部の数は、特に限定されるものではない。しかし燃焼室の直径が大きい場合は、旋回流を維持するために、注入部の数を増やすことが好ましい。複数の可燃性ガスの注入部の位置は、燃焼管の中心軸に関して回転対称に取り付ける。例えば、注入部の開口が注入数と等しい頂点を有する正多角形の頂点に位置するように設定する。可燃性ガスの注入方向は、すべて同方向の旋回流が発生する方向に設定する。

　燃焼室内に配置されたエミッタ２９は燃焼室の中心部に設置されているので、管状火炎で効率よく加熱される。本実施形態ではエミッタ２９は円管形状であるために、加熱時に容易に温度が上昇する。エミッタ２９により排出ガスの存在範囲が管壁部近傍に限定されるので、より少ない燃料で効率的に管状火炎が得られる。

　燃焼室内に配置されたエミッタ２９は発生した管状火炎により、エミッタ２９の長手方向に関し均一に加熱される。均一に加熱されたエミッタ２９は、エミッタ２９の長手方向に関し同一特性の赤外光又は赤外線を放射する。エミッタ２９の周囲に位置する光電変換素子３１に赤外光又は赤外線が入射され、光電変換素子３１はＤＣ出力端子２８から、直流電流を出力する。

　本実施形態の熱光起電力発電装置によれば、発生した管状火炎３２によりエミッタ２９の長手方向に関し均一に加熱されるので、エミッタ２９の長手方向に関してエミッタ２９の放射する赤外光又は赤外線の波長特性が均一になる。これにより、エミッタ２９の長手方向に関して、この赤外光又は赤外線が入射される光電変換素子３１の光電変換特性も均一になる。

　さらに本実施形態によれば、着火した旋回流は管状火炎を形成して燃焼する。高圧で注入されたガスは、温度が低い。注入ガスと空気は低温かつ高密度のために、旋回時の遠心力で燃焼管の内壁近傍に分布する。このため光電変換素子３１は、傍に火炎があるのにも関わらず、ほぼ室温に保たれる。そのため光電変換素子３１を冷却するためのヒートシンク２５などの冷却装置の重量や容量を減らすことができる。そのため本実施形態によれば、運搬に適した光熱起電力発電装置が得られる。

　さらに本実施形態の熱光起電力発電方法によれば、燃焼室内に管状火炎を発生させて、燃焼室内に設置した円管形状のエミッタ２９の表面を加熱している。管状火炎によりエミッタ２９は長手方向に関し均一に加熱されるので、エミッタ２９の長手方向に関して、放射する赤外光又は赤外線の波長特性が均一になる。エミッタ２９の長手方向に関して、この赤外光又は赤外線が入射される光電変換素子３１の光電変換特性も均一になる。

　〔第２実施形態〕
　次に、本発明の第２実施形態による熱光起電力発電装置及び熱光起電力発電方法について、説明する。図６は、本発明の第２実施形態の熱光起電力発電装置の外観図である。図７は、図６の熱光起電力発電装置の内部を示す斜視図である。図７は、図６の燃焼管６６を外した熱光起電力発電装置の内部を示している。図８は、図６の熱光起電力発電装置の内部構成を示す上面図である。図９は、図６の熱光起電力発電装置の断面図である。図１０は、図６の熱光起電力発電装置の部分拡大断面図である。煩雑さを避けるため、以下の実施形態ではＤＣ出力端子の記載は省略するが、光電変換素子には必ずＤＣ出力端子がついているものとする。

　本実施形態による熱光起電力発電装置は、中心軸に対し実質的に垂直方向の断面が円形をなしている、管状の燃焼室を有する。本実施形態では管状の燃焼室は、支持円管部６２と、燃焼管６６と、を有する。燃焼管６６と支持円管部６２とは、ほぼ同じ直径を有する。燃焼管６６は、中心軸に対し実質的に垂直方向の断面が円形をなしている。燃焼管６６は剛性を有するステンレス鋼などからできている。燃焼管６６の内面は鏡面である。反射率を高めるために、燃焼管６６の内面に金などの反射膜を形成してもよい。燃焼管６６の開放端側には、複数の排気口７１が形成されている。図６や図８に示すように、燃焼管６６の管自体の内部には排気ガス吸入孔６７が対称に形成されており、排気ガス吸入孔６７は可燃性ガスの注入部或いは空気の注入部とつながっている。さらに、燃焼管６６の開放端には、上蓋７３を介して空冷ファン７４が取り付けられている。空冷ファン７４は、第一の台座６０、第二の台座６１の中央に開けられた空冷用空気の取入れ口７６から空気を吸い上げて、空冷用空気の排出口７５から排出する。これによって、内部のヒートシンク６８と光電変換素子６９を冷却する。

　さらに本実施形態の熱光起電力発電装置は、中心軸が燃焼管６６の中心軸と実質的に平行であり、燃焼管６６の内側に配置されたエミッタ６５を有する。本実施形態のエミッタ６５は、第１実施形態の管状のエミッタ２９とは異なり、多数の円柱形状のエミッタ要素を燃焼室７８の外周部に設置されたエミッタ支持台６４上に円環状に設置して、構成したものである。すなわち、図７や図８に示すように、多数の円柱形状のエミッタ要素が円管形状のエミッタ支持台６４の円周上に配列しており、全体としてエミッタ６５を構成しているものである。エミッタ６５は、燃焼室７８の内部に、燃焼管６６の軸を中心とする円周上に設置される。エミッタ６５は、エミッタ支持リング９２で固定されている。

　本実施形態のエミッタ要素は、例えばマグネシア（ＭｇＯ）製であり、直径１０ｍｍ、長さ２７ｃｍの円柱形状である。燃焼管６６の軸を中心とする半径８ｃｍの円周上に４８本のエミッタ要素が軸と平行に対称に設置されて、エミッタ６５を構成している。実施形態のエミッタ要素の間隔は０．５ｍｍであるが、エミッタ要素の数や直径を変えることで、エミッタ要素の間隔を制御できる。エミッタ要素の間隔を１ｍｍ程度開けることで排出ガスがエミッタ要素間を通過しやすくなり、排出ガスの熱を効率的にエミッタの加熱に使用できる。

　本実施形態では、光電変換素子６９に面する、エミッタ６５の光放出面の面積は２０３５ｃｍ^２（＝０．５ｃｍ×３．１４×２７ｃｍ×４８）である。本実施形態ではエミッタ温度１２００℃で、１．２ｋＷの電力が得られる。エミッタ温度１８００℃ではその４倍の４．８ｋＷの電力が得られる。さらに燃焼管の半径を倍にすれば１０ｋＷ級の発電装置が得られる。

　マグネシア製のエミッタはＮｉが重量比２％の濃度でドーピングされており、エミッタの加熱時の放出光スペクトルには、１．７μｍ近傍に１μｍ程度の幅を持った放出波長のピークが見られる。この波長帯の光はＧａＳｂ系光電変換素子で電気に変換できるので、高い発電効率が得られる。

　エミッタ６５の内側には、内挿管７０が配置されている。内挿管７０は円管形状であり、その材料はサファイア或いはＯＨ（水酸基）の含有量を１００ｐｐｍ以下に制御したシリカガラスである。内挿管７０は、少なくとも波長０．３５μｍ以上の可視域から波長４μｍ以下の赤外光に関して８０％以上の高い透過率を有する。内挿管７０はその少なくとも一部が赤外光又は赤外線の少なくとも一部を透過させる特徴を有するものである。

　さらに内挿管７０の内側には、断面形状が２４角形の多角柱管９３が設置されている。この多角柱管９３の外側面には光電変換素子６９が設置されており、内側面にはヒ－トシンク６８が設置されている。内挿管７０は、内挿管７０の内側に位置する光電変換素子６９を高温の排出ガスから隔離する働きをする。本実施形態の場合、図９に示されるように、燃焼室７８は燃焼管６６と内挿管７０に挟まれた管状領域である。燃焼室７８の上側には内蓋７２が取り付けられている。内挿管７０の内部には高温の排出ガスは入らない。内挿管７０の内部は、空冷ファン７４で吸い上げられた空冷用空気が通過する。加熱されたエミッタ６５からの放射光は、内挿管７０で殆ど吸収せず、光電変換素子６９に照射される。放射光が光電変換素子６９で電気に変換され、直流電流として外部に取り出される。

　さらに本実施形態の熱光起電力発電装置は、図６～図８に示すように、燃焼管６６内に燃料を供給する燃料注入部の一例としての、可燃性ガスの注入部８０、８２、８４、８６、８８、９０を有する。さらに、空気の注入部８１、８３、８５、８７、８９、９１を有する。可燃性ガスの注入部８０、８２、８４、８６、８８、９０と空気の注入部８１、８３、８５、８７、８９、９１は、支持円管部６２に交互に１２か所に対称に取り付けられている。図９や図１０から分かるように、支持円管部６２に形成する可燃性ガスの注入部８０の内壁での開口部７７の形状は略円形である。

　さらに、本実施形態の熱光起電力発電装置は、図９に示すように支持円管部６２内に配置され、可燃性ガスの注入部８０などから支持円管部６２の内部に供給された燃料に点火する点火部６３を有している。点火部６３は燃焼管６６の底部にあり、電気火花を発生させて、着火する。

　さらに、図１０に示すように、燃焼管６６の管自体の内部には排気ガス吸入孔６７が対称に形成されており、排気ガス吸入孔６７は可燃性ガスの注入部或いは空気の注入部とつながっている。燃焼後の排出ガスは、排気口７１から装置外部に排出されるが、その一部は排気ガス吸入孔６７を通して燃焼室に取り込まれる。注入部は流速が速く、圧力が低いため、燃焼後の排出ガスの一部は、排気ガス吸入孔６７を通って燃焼室に供給される。排出ガスを混入した燃焼用の空気は通常に比べて酸素濃度が低いため、燃焼速度が低下し、火炎温度の上昇を抑制することができる。排気ガス吸入孔６７の直径や孔数は、熱電対やガスセンサを用いて燃焼室の温度や排出ガスをモニタしながら、燃料の当量比に対して最適化すればよい。燃焼管６６の管自体の内部に対称に形成された排気ガス吸入孔６７により、排出ガスの一部が燃焼室に取り込まれる。これによって、さらにＮＯ_ｘの生成を抑制することができる。

　さらに、支持脚５８は、第一の台座６０や第二の台座６１を支持している。第一の台座６０と第二の台座６１とは図９や図１０に示すように、お互いに接触せず、独立に支持脚５８によって支持されている。第一の台座６０は図９や図１０に示すように、ヒートシンク支持台５９と多角柱管９３及びヒートシンク６８を支えている。第二の台座６１は図９や図１０に示すように、支持円管部６２と燃焼管６６、エミッタ支持台６４とエミッタ６５及び内挿管７０を支えている。内挿管７０と光電変換素子６９とは、お互いに接触せず、独立に支持されているので、内挿管７０の熱は光電変換素子６９に熱伝導で直接伝わらない。その結果、たとえ内挿管７０が加熱されたとしても、光電変換素子６９の温度上昇を抑制できる。

　次に本実施形態の熱光起電力発電装置の動作、熱光起電力発電方法について説明する。可燃性ガスが、可燃性ガスの注入部８０、８２、８４、８６、８８、９０を通して、支持円管部６２の内部に管壁の接線方向に注入される。空気が、空気の注入部８１、８３、８５、８７、８９、９１を通して、支持円管部６２の内部に管壁の接線方向に注入される。支持円管部６２の内部に管壁の接線方向に注入された可燃性ガスと空気は、支持円管部６２の内部で混合され、燃焼管の内壁近傍を旋回上昇する。これにより、燃焼管６６と内挿管７０に挟まれた管状領域である、燃焼室７８の内部に燃焼管６６の開放端に向かう混合ガスの旋回流が生じる。

　本実施形態のエミッタ６５は、燃焼室７８の内部に、燃焼管６６の軸を中心とする円周上に設置されている。点火部６３が発生する電気火花により、可燃性ガスと空気との混合ガスに着火する。着火した旋回流は管状火炎７９を形成して燃焼する。管状火炎７９は、燃焼管６６とエミッタ６５の間に発生する。なお、図８及び図９では管状火炎７９を、黒い帯状の領域で表示している。本実施形態による管状火炎７９は、エミッタ６５を加熱するが、燃焼室７８は加熱しない。燃焼管６６の内面を鏡面としているので、エミッタ６５からの放射熱の大部分を燃焼管６６は反射し、エミッタ６５を再加熱する。なお、反射率を高めるために、燃焼管６６の内面に金などの反射膜を形成してもよい。

　燃焼室内に配置されたエミッタ６５は燃焼室内の円周上に設置されているので、管状火炎７９で効率よく加熱される。燃焼室内に配置されたエミッタ６５は、発生した管状火炎７９によりエミッタ６５の長手方向に関し均一に加熱される。均一に加熱されたエミッタ６５は、エミッタ６５の長手方向に関し同一特性の赤外光又は赤外線を放射する。エミッタ６５の内側に位置する光電変換素子６９に赤外光又は赤外線が入射され、光電変換素子６９はＤＣ出力端子から、直流電流を出力する。

　燃焼後の排出ガスは、排気口７１から装置外部に排出されるが、その一部は排気ガス吸入孔６７を通して燃焼室に取り込まれる。注入部は流速が速く、圧力が低いため、燃焼後の排出ガスの一部は、排気ガス吸入孔６７を通って燃焼室に供給される。排出ガスを混入した燃焼用の空気は通常に比べて酸素濃度が低いため、燃焼速度が低下し、火炎温度の上昇を抑制することができる。排気ガス吸入孔６７の直径や孔数は、熱電対やガスセンサを用いて燃焼室の温度や排出ガスをモニタしながら、燃料の当量比に対して、最適化することが考えられる。

　本実施形態の熱光起電力発電装置によれば第１実施形態と同様に、発生した管状火炎によりエミッタ６５の長手方向に関し均一に加熱され、エミッタ６５の長手方向に関してエミッタ６５の放射する赤外光又は赤外線の波長特性が均一になる。エミッタ６５の長手方向に関して、この赤外光又は赤外線が入射される光電変換素子６９の光電変換特性も均一になる。

　さらに本実施形態の熱光起電力発電方法によれば、燃焼室内に管状火炎７９を発生させて、燃焼室内に設置した多数配置された円柱形状からなるエミッタ６５の表面を加熱している。管状火炎７９によりエミッタ６５は長手方向に関し均一に加熱されるので、エミッタ６５の長手方向に関して放射する赤外光又は赤外線の波長特性が均一になる。エミッタ６５の長手方向に関して、この赤外光又は赤外線が入射される光電変換素子６９の光電変換特性も均一になる。

　本実施形態では、可燃性ガスと空気とを別々に燃焼室に供給し、燃焼室で急速混合させて燃焼させているので、逆火の恐れのない安全な装置を実現できる。本実施形態の熱光起電力発電装置では、空気に対する燃料の混合比を小さく制御して、ＮＯ_ｘやＣＯや煤（すす）の発生量を小さくできる。空気と燃料の供給流量は、管状火炎７９の長さがエミッタ６５の長さと一致する値に制御する。空気は排出ガスによって加熱されるため、燃焼速度や燃焼効率が向上する。燃焼速度が高くなった分、供給する燃料と空気の量を多くして調整する。このように、本実施形態の熱起電力発電装置では管状火炎を用いることで、長いエミッタでも均一かつ急速に加熱することができる。発電出力向上に適した熱起電力発電装置を実現できる。

　〔第３実施形態〕
　次に、本発明の第３実施形態による熱光起電力発電装置及び熱光起電力発電方法について、説明する。図１１は、本発明の第３実施形態の熱光起電力発電装置の外観図である。図１２は、図１１の熱光起電力発電装置の内部を示す斜視図である。図１２は、図１１の延長管１１３などを外した熱光起電力発電装置の内部を示している。図１３は、図１１の熱光起電力発電装置の内部構成を示す上面図である。図１４は、図１１の熱光起電力発電装置の断面図である。図１５は、図１１の熱光起電力発電装置の燃料導入口の内部形状を示す斜視図である。図１６は、図１１の熱光起電力発電装置の燃焼用空気導入口の断面図である。図１７は、本発明の第３実施形態の熱光起電力装置の熱交換器の外観図である。

　本実施形態の熱光起電力発電装置は、中心軸に対し実質的に垂直方向の断面が、円形をなしている、管状の燃焼室を有する。本実施形態では管状の燃焼室は、燃料ガス導入リング１２６と、透明燃焼管１０８と、延長管１１３と、を有する。空気導入リング１２７と、燃料ガス導入リング１２６と、透明燃焼管１０８とはほぼ同じ直径を有する。さらに、透明燃焼管１０８の外側には多角柱管１１０が配置されている。本実施形態の多角柱管１１０は、図１２や図１３に示すように、中心軸に対し実質的に垂直方向の断面が１２角形をなしている。透明燃焼管１０８は、エミッタ１０６から放出される赤外光や赤外線の少なくとも一部を透過させる特徴を有する。

　さらに本実施形態の熱光起電力発電装置は、中心軸が透明燃焼管１０８の中心軸と実質的に平行であり、透明燃焼管１０８の内側に配置されたエミッタ１０６を有する。本実施形態のエミッタ１０６は、第２実施形態のエミッタ６５と同様に、多数配列された円柱形状のエミッタ要素から構成されるものである。本実施形態のエミッタ１０６の材料は、Ｃｏをド－ピングしたＣａＡｌ_２Ｏ_４（カルシア・アルミネ－ト）の焼結体である。ドーピングはＣｏ_３Ｏ_４を重量比で２％程度混ぜて行う。ＣｏはＣａサイトを置換して導入される。ドーピングによりエミッタの波長１．７μｍ近傍の赤外放射光の放射率を高めることができる。本実施形態のエミッタ１０６は円柱形状のエミッタ要素からなり、燃焼室の中央部に設置されたエミッタ支持台１０４の円周上に設置されている。エミッタ１０６は、エミッタ支持リング１１２で固定されている。

　さらに、エミッタ１０６の内側には内挿管１０５が設置されている。内挿管１０５が存在することにより、本実施形態の管状燃焼室１２８は、透明燃焼管１０８とその内部に設置された内挿管１０５に挟まれた領域になる。

　図１２や図１３に示すように、多角柱管１１０の内壁には光電変換素子１０９が接着され、多角柱管１１０の外壁にはヒ－トシンク１１１が接着されている。ヒ－トシンク１１１はアルミ材料でできている。内挿管１０５、エミッタ１０６、透明燃焼管１０８、多角柱管１１０は中心軸を共有し、お互いに間隔をあけて設置されている。エミッタ１０６、透明燃焼管１０８、光電変換素子１０９の管軸方向の長さはほぼ等しい。

　点火部１０３が、台座１０１上の管状火炎の発生位置の近傍に取り付けられている。台座１０１は、支持脚１００により支持されている。

　透明燃焼管１０８の開放端には、延長管１１３が取り付けられている。延長管１１３の開放端には空気導入用ファン１１９が取り付けられている。延長管１１３の開放端付近には複数の排気口１１７が形成されている。

　さらに、本実施形態では延長管１１３の内部に熱交換器１１６を有する。図１７に示すように、熱交換器１１６は、熱交換器壁１１５が花びら形状の下蓋１１４と上蓋１１８で挟まれた構造をしている。下蓋１１４の花びらの部分のみ排出ガス１２２を通過させ、花びらの間の部分は閉ざされている。上蓋１１８の花びらの部分は閉ざされており、排出ガス１２２は熱交換器壁１１５を加熱した後、側壁の排出口１１７から外部に排出される。中央部分と花びらの間の部分はつながっている。

　次に、本実施形態の熱光起電力発電装置の動作を説明する。燃料ガスを、燃料ガス導入口１２３と燃料ガス導入口１２５の２か所から注入する。燃料ガス導入リング１２６には、燃料ガスが等間隔に形成された８か所の開口からリング内壁の接線方向に注入されるように、パイプ状のガスの注入経路が形成されている。加熱した空気は上昇しやすい。空気と燃料ガスを急速に混合するために、空気導入リング１２７は燃料ガス導入リング１２６の下に設置されている。空気導入リング１２７にも同様に、加熱空気が等間隔に形成された８か所の開口からリング内壁の接線方向に注入されるように、パイプ状の空気の注入経路が形成されている。これによって燃焼室の内部に燃料ガスの旋回流を発生させる。燃料ガスを燃焼室内周面の接線方向に噴射することにより、燃焼室内部に透明燃焼管１０８の開放端に向かう燃料ガスの旋回流が生じる。本実施形態では、透明燃焼管１０８とその内部に設置された内挿管１０５に挟まれた領域に、燃料ガスの旋回流が生じる。

　燃焼用の空気１２１は、空気導入用ファン１１９によって上部の空気の取り入れ口１２０から送り込まれ、熱交換器１１６で加熱される。加熱された空気は、内挿管１０５の内側を通り、支持円管部１０２の底に達した後、周囲に回り込み、空気導入口１２４を通過して、空気導入リング１２７に等間隔に形成された８か所の開口から燃焼室に送り込まれる。延長管１１３は、透明燃焼管１０８と熱交換器１１６とを断熱かつ距離を調整し、安定な燃焼を補助している。

　図１４に示すように、内挿管１０５を通った加熱空気は、空気導入口１２４を通過した後、周囲に回り込み、空気導入リング１２７を通過して、リング内壁の接線方向に注入される。燃焼室に注入された空気と燃料ガスとは急速に混合する。さらに、点火部１０３が発生する電気火花により、混合ガスに着火する。着火した旋回流は管状火炎１０７を形成して燃焼する。燃料ガス導入リング１２６や空気導入リング１２７には噴射口が複数個所あるので、容易に管状火炎１０７が形成される。管状火炎１０７は、エミッタ１０６、透明燃焼管１０８の間に発生し、エミッタ１０６を均一に加熱する。なお、図１３及び図１４では管状火炎１０７を、黒い帯状の領域で表示している。

　排出ガスの一部は、エミッタ柱の隙間を通り、内挿管１０５を外部から加熱する。内挿管１０５からの放射光は、エミッタ１０６に吸収されるので、透明燃焼管１０８の外部には殆ど放出されない。燃焼室内に配置されたエミッタ１０６は、発生した管状火炎１０７によりエミッタ１０６の長手方向に関し均一に加熱される。均一に加熱されたエミッタ１０６は、エミッタ１０６の長手方向に関し同一特性の赤外光又は赤外線を放射する。

　エミッタ１０６から放射された赤外光又は赤外線は、エミッタ１０６の外側の透明燃焼管１０８を透過して、多角柱管１１０の内側に配置された光電変換素子１０９に入射する。光電変換素子１０９に赤外光又は赤外線が入射され、光電変換素子１０９はＤＣ出力端子から、直流電流を出力する。

　本実施形態では、燃焼用空気は、熱交換器１１６の上蓋１１８の中央部分と花びらの間の部分から取り入れられ、昇温した熱交換器壁１１５で加熱された後、内挿管１０５に注入される。エミッタ温度１２００℃の時、排出ガスの温度は、熱交換器１１６によって８００℃から３００℃程度に冷却される。一方、燃焼用空気は室温から６００℃程度に加熱される。排出ガスの熱エネルギの多くをエミッタ１０６の昇温に用いることができるので、燃焼効率が約２倍に向上する。また熱交換器１１６の熱交換壁の一部に穴を開ければ、燃焼後の排出ガスの一部を燃焼用の加熱空気に混ぜることができるので、排出ガス再循環の効果により、排出ガス中のＮＯ_ｘの濃度をさらに低減することもできる。

　本実施形態では、希薄燃焼させて火炎温度を下げることで、排出ガス中のＮＯ_ｘ濃度が数ｐｐｍと極めて小さい管状火炎１０７を形成できる。希薄燃焼の場合は、当量１の燃焼に較べ、燃料濃度が低いために、燃焼速度が小さくなる。また燃焼用空気の温度が高くなると、燃焼速度が大きくなる。燃焼速度が大きくなると管状火炎１０７の半径は大きくなる。燃焼ガスと空気の流量を増やすと管状火炎１０７の半径は小さくなる。このように空気や燃料ガスの温度、流量、流速を制御することで、エミッタ１０６を安定に加熱できる位置に管状火炎１０７を制御する。

　燃焼後の排出ガス１２２は、熱交換器１１６を通過して、延長管１１３の排気口１１７から排出される。空気導入用ファン１１９が送り込む空気の流速は、大きすぎると失火するので、管状火炎１０７が安定に形成される速度に調節する。透明燃焼管１０８に取り入れる燃料と空気の流量は、管状火炎１０７の管軸方向の長さがエミッタ１０６の長さとほぼ等しくなるように調整する。

　本実施形態の熱光起電力発電装置によれば、発生した管状火炎１０７によりエミッタ１０６の長手方向に関し均一に加熱されるので、エミッタ１０６の長手方向に関してエミッタ１０６の放射する赤外光又は赤外線の波長特性が均一になる。エミッタ１０６の長手方向に関して、この赤外光又は赤外線が入射される光電変換素子１０９の光電変換特性も均一になる。さらに本実施形態の熱光起電力発電装置によれば、取り入れられる燃焼用空気と排出される排出ガスとが、熱交換器１１６で熱交換する。これにより、取り入れられる燃焼用空気は加熱され、排出ガスは冷却される。これにより、排出ガスの熱エネルギの多くをエミッタ１０６の昇温に用いることができ、燃焼効率を向上させることができる。

　さらに本実施形態の熱光起電力発電方法によれば、燃焼室内に管状火炎１０７を発生させて、燃焼室内に設置したエミッタ１０６の表面を加熱している。管状火炎１０７によりエミッタ１０６は長手方向に関し均一に加熱されるので、エミッタ１０６の長手方向に関して放射する赤外光又は赤外線の波長特性が均一になる。エミッタ１０６の長手方向に関して、この赤外光又は赤外線が入射される光電変換素子１０９の光電変換特性も均一になる。

　図１８（ａ）は本発明の実施形態による管状火炎の態様を示す斜視図であり、図１８（ｂ）は背景技術の火炎の態様を示す斜視図である。特許文献１～特許文献３などでは、エミッタの下端部を加熱している。このために、エミッタ上端に行くにしたがってエミッタの温度が低下する。燃料の当量比を上げると、多少火炎長は増大するが、やがて拡散火炎が生じ、火炎温度が低下して煤（すす）を発生してしまう。従って、背景技術では良好な燃焼状態で火炎長を増大させることが困難である。

　一方、本発明の実施形態による熱光起電力発電装置では、管状の燃焼管の中心に軸対称に設置された細長い形状のエミッタを管状火炎で加熱する特徴を有する。管状火炎は、非常に均一な火炎であるために、エミッタの長手方向に温度勾配が生じない。管状火炎の幅は、半径方向の温度勾配が生じている厚さであり、実際は１ｍｍ程度の薄さである。当量比が大きくなると火炎厚は小さくなる。

　図１９は、背景技術のエミッタの温度と放出光エネルギ密度の距離依存性を示すグラフである。図１９から理解されるように背景技術では、エミッタの長手方向に１０℃／ｃｍ程度の温度勾配が生じた。火炎に接する部分のエミッタ温度が１２００℃の場合、４０ｃｍ離れた点ではエミッタ温度は８００℃に低下した。放出光エネルギ密度はエミッタの上端では１／５の強度に減少した。これはステファン・ボルツマンの法則により、エミッタからの放出光エネルギ密度が絶対温度の４乗に比例しているためである。

　図２０は、本発明の実施形態によるエミッタの温度と放出光エネルギ密度の距離依存性を示すグラフである。本発明の実施形態ではエミッタの温度分布が一定であるために、均一な放出光エネルギ密度が得られる。本発明の実施形態では、エミッタ全体の放出光エネルギは背景技術の２倍になる。

　背景技術でエミッタ長を長くすると、エミッタの長手方向に光電変換素子の出力電圧と電流が減少する。光電変換素子は多数のセルを直列に接続しているので、全体の出力電圧が低下してしまうだけでなく、全体の出力が出力の小さいセルに制限されてしまう。

　これに対し本発明の実施形態では均一な出力が得られるので、背景技術の５倍の電力が得られる。また本発明の第２実施形態のように、円周状に配置されたエミッタの円周の半径とエミッタ長を任意の大きさに拡大しても均一な加熱が可能であるので、高い効率を維持したまま、出力を増大できる。

　次に燃料の当量比に対して管状火炎の長さを制御する方法について述べる。管状火炎の長さＬは、燃焼室の内径Ｒ、燃料の当量比φ、空気の流量Ｑ_Ａｉｒ、燃焼速度ｖ_Ｂに依存し、メタンガスの場合、

と表される。上式中の９．５２は１モルのメタンの完全燃焼に必要な空気のモル数である。当量とは供給したガスに含まれる燃料の重量を供給した空気を完全燃焼できる燃料の重量で割った値である。燃焼速度ｖ_Ｂは当量比φに依存する。当量比１のとき燃焼速度ｖ_Ｂは最大となり、例えば２０ｃｍ／ｓ程度の速さになる。管状火炎は当量比が０．５～１．５の広い領域で安定に実現できる。高効率かつ低ＮＯ_ｘ燃焼のためには当量比を１以下にする。当量比が１から減少するにつれて、燃焼速度は急速に減少する。よって当量比が減少するにつれて、管状火炎の長さＬが増大する。或いは空気流量を固定して、ガス流量を上げると管状火炎の長さは減少する。

　図２１は、当量比φを変えた時の管状火炎の長さの空気流量依存性を示すグラフである。燃焼管の内径は１０ｃｍである。当量比φを固定した場合、空気流量の増大とともに管状火炎の長さは増大する。空気流量を固定した場合、当量比φの減少とともに、管状火炎の長さは増大する。例えば当量比０．７のとき、３０ｃｍの管状火炎長を得るために、空気流量を４１［ｍ^３／ｈ］、メタンガス流量を３．０［ｍ^３／ｈ］に制御した。このときの予混合気の吹込み速度は、開口径８ｍｍで開口数８個の場合、２０ｍ／ｓとなる。開口面積を調整し、失火しない流速に設定した。図２１のデータ線の傾きは当量比φが小さくなる程大きくなるが、通常の１ｃｍ^３／ｓの精度を有する流量メータで１ｍｍ以下の十分正確な精度で管状火炎長を制御できた。

　図２２は、本発明の実施形態による熱光起電力装置のエミッタ温度の当量比依存性を示すグラフである。当量比が低下するとエミッタ温度が低下する。当量比０．６でエミッタ温度１２００℃、当量比０．７でエミッタ温度１５００℃が実現できた。以下に示すように、通常発電に用いるエミッタ温度１２００℃～１５００℃で、基準値を満たすＮＯ_ｘ低減が可能になった。

　次に本発明の熱光起電力発電装置の排出ガス中のＮＯ_ｘ濃度の低減効果について説明する。環境省は小型ボイラーや家庭用ガス給湯器などの小規模燃焼機器の排出ガスに関して推奨ガイドラインを提示している。それらのガス及び灯油を燃料に用いた小型焼機器の排出ガス中の基準ＮＯ_ｘ濃度はそれぞれ５０～６０ｐｐｍ、８０ｐｐｍ（酸素濃度０％換算時）である。従って、家庭に熱光起電力発電装置を普及するには、これらの基準を達成することが望ましい。

　燃料は当量比が１付近で完全燃焼し、メタンの場合、火炎温度は２２００℃以上になる。このときＮＯ_ｘ濃度は最大になる。当量比１で燃焼させる５ｋＷクラスのガス給湯器の場合、酸素濃度０％換算時のＮＯ_ｘ濃度は２００ｐｐｍ程度に達する。単に火炎温度を下げると不完全燃焼によりＣＯが増大するので、両立が必要である。ＣＯ濃度は１００ｐｐｍ以下が望ましい。

　図２３は、本発明の実施形態による熱光起電力発電装置の排出ガス中のＮＯ_ｘ濃度の当量比依存性を示すグラフである。当量比１で管状火炎を用いた場合、ＮＯ_ｘ濃度は８０ｐｐｍ、ＣＯ濃度は５０ｐｐｍであった。当量比が１より小さくなるに従って、ＮＯ_ｘ濃度とＣＯ濃度は共に減少した。当量比が０．６の場合、ＮＯ_ｘ濃度は５ｐｐｍ程度、ＣＯ濃度は３ｐｐｍ以下であった。当量比が０．７の場合、ＮＯ_ｘ濃度は１７ｐｐｍ程度、ＣＯ濃度は５ｐｐｍ以下であった。当量比が０．８５以下で、５０ｐｐｍのＮＯ_ｘ濃度基準値を達成できた。通常発電に用いるエミッタ温度１２００℃～１８００℃で、ＮＯ_ｘ濃度基準値を達成した。

　排出ガス再循環（EGR）動作した場合は、ＮＯ_ｘ濃度とＣＯ濃度はさらに減少し、当量比０．７以下で、ＮＯ_ｘ濃度は１０ｐｐｍ以下になった。EGR動作では、全ての当量比で５０ｐｐｍのＮＯ_ｘ濃度基準値を達成できた。

　本発明の熱光起電力発電装置は、多様な燃料に適合するため、発電コストを下げられる利点がある。背景技術の熱光起電力発電装置では燃焼温度が不均一なために、重油や微粉炭など安価な燃料を用いた場合、煤（すす）が発生しやすい。特に重油や微粉炭など安価な燃料は煤（すす）が発生しやすい。煤（すす）がエミッタに付着すると放射光の波長スペクトルが変化し、発電効率が低下する。管状火炎は、メタン・プロパン・水素などの気体燃料、灯油，軽油などの液体燃料、プラスチックや木質バイオマスなどの固形燃料、Ｃ重油や，製鉄所からの副生成ガスなどの難燃性燃料といった様々な燃料に対して、容易に安定燃焼が可能である。

　以上、本発明の好ましい実施形態や実施例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上述した第１実施形態では、中心軸に対し実質的に垂直方向の断面が六角形をなす六角燃焼管２４を用いた。第２実施形態では、中心軸に対し実質的に垂直方向の断面が、円形をなしている燃焼管６６を用いた。本発明の管状の燃焼室の形状はこれらに限定されるものではなく、その断面形状が円、或いは楕円、若しくは正四角形～正三十六角形の正多角形とすることができる。エミッタは、融点が１０００℃以上かつ３０００℃以下である、金属、スピネル酸化物、ケイ酸塩化合物、炭化物、窒化物、ホウ化物、シリサイドの少なくともいずれか一つを含む材料から、構成することができる。第１実施形態では、開放端から高温の排ガスが放出されるが、それらの熱は別に用意した熱交換器などを用いて、室内の暖房に有効活用することもできる。また、請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。

　上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）管状の燃焼室と、前記管状の燃焼室の内部に設置されたエミッタと、前記管状の燃焼室の内部に燃料ガスの旋回流を発生させる旋回流発生手段と、前記エミッタからの放射光を電気に変換する光電変換素子と、を有する熱光起電力発電装置。
（付記２）前記旋回流発生手段は、前記管状の燃焼室内に燃料を供給する複数の燃料注入部を備え、前記複数の燃料注入部は、前記管状の燃焼室の接線方向に回転対称に取り付けられている、付記１に記載の熱光起電力発電装置。
（付記３）前記管状の燃焼室は、前記管状の燃焼室の中心軸に対し実質的に垂直な断面が、円形、楕円形及び多角形のいずれか一つの形状を有しており、前記エミッタは、前記管状の燃焼室の内側に前記管状の燃焼室の前記中心軸と実質的に平行な中心軸を有する円柱形状に配置され、前記光電変換素子は、前記エミッタの外側に配置されている、付記１又は付記２に記載の熱光起電力発電装置。
（付記４）前記管状の燃焼室は、前記管状の燃焼室の中心軸に対し実質的に垂直な断面が、円形、楕円形及び多角形のいずれか一つの形状を有しており、前記光電変換素子は、前記エミッタの内側に配置されており、前記エミッタと前記光電変換素子との間に、前記管状の燃焼室と実質的に平行な中心軸を有する内挿管が挿入されている、付記１又は付記２に記載の熱光起電力発電装置。
（付記５）前記エミッタは、前記管状の燃焼室の前記中心軸に対し、所定距離で多数のエミッタ要素が配列されて、全体的な外形が管状をなしている、付記３又は付記４に記載の熱光起電力発電装置。
（付記６）前記配列された多数の円柱形状のエミッタ部材で囲まれた空間に、前記管状の燃焼室と実質的に平行な中心軸を有する内挿管が挿入されている、付記５に記載の熱光起電力発電装置。
（付記７）前記内挿管の内側に多角柱管が配置されており、前記光電変換素子は前記多角柱管の側面に配置されている、付記６に記載の熱光起電力発電装置。
（付記８）前記管状の燃焼室の開放端に、断熱材を介して取り付けられた延長管をさらに有する、付記１乃至付記７のいずれか一つに記載の熱光起電力発電装置。
（付記９）前記延長管の内側に、前記燃料ガスが燃焼した後に排出される排出ガスの熱により装置内に取り込まれる空気を加熱する熱交換器をさらに有する、付記８に記載の熱光起電力発電装置。
（付記１０）燃料ガスの旋回流を発生させ、前記旋回流により管状火炎を生成し、エミッタを前記管状火炎で加熱し、加熱された前記エミッタからの放射光を受光し電気に変換する、熱光起電力発電方法。
（付記１１）前記エミッタは管状の燃焼室に配置されており、前記管状の燃焼室に対し燃焼室の内壁の接線方向に燃料を導入し、管状の燃焼室の内部に燃焼ガスの旋回流を発生させて、前記エミッタを前記管状火炎で加熱する、付記１０に記載の熱光起電力発電方法。

　この出願は、２０１３年１２月２４日に出願された日本出願特願２０１３－２６５５１７号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

　２１、１０１　　台座
　２２、６２　　支持円管部
　２３、６３、１０３　　点火部
　２４　　六角燃焼管
　２５、６８、１１１　　ヒートシンク
　２６　　断熱材
　２７、１１３　　延長管
　２８　　ＤＣ出力端子
　２９、６５、１０６　　エミッタ
　３０、６４、１０４　　エミッタ支持台
　３１、６９、１０９　　光電変換素子
　３２、７９、１０７　　管状火炎
　３３～３８　　可燃性ガスの注入部
　５２、１２２　　排出ガス
　５８、１００　　支持脚
　５９　　ヒートシンク支持台
　６０　　第一の台座
　６１　　第二の台座
　６６　　燃焼管
　６７　　排気ガス吸入孔
　７０、１０５　　内挿管
　７１　　排気口
　７２　　内蓋
　７３、１１８　　上蓋
　７４　　空冷ファン
　７５　　空冷用空気の排出口
　７６　　空冷用空気の取入れ口
　７７　　開口部
　７８　　燃焼室
　８０、８２、８４、８６、８８、９０　　可燃性ガスの注入部
　８１、８３、８５、８７、８９、９１　　空気の注入部
　９２、１１２　　エミッタ支持リング
　９３、１１０　　多角柱管
　１０８　　透明燃焼管
　１１４　　下蓋
　１１５　　熱交換器壁
　１１６　　熱交換器
　１１７　　排気口
　１１９　　空気導入用ファン
　１２０　　空気の取り入れ口
　１２１　　燃焼用の空気
　１２３、１２５　　燃料ガス導入口
　１２４　　空気導入口
　１２６　　燃料ガス導入リング
　１２７　　空気導入リング
　１２８　　管状燃焼室

Claims

　管状の燃焼室と、前記管状の燃焼室の内部に設置されたエミッタと、前記管状の燃焼室の内部に燃料ガスの旋回流を発生させる旋回流発生手段と、前記エミッタからの放射光を電気に変換する光電変換素子と、を有する熱光起電力発電装置。
　前記旋回流発生手段は、前記管状の燃焼室内に燃料を供給する複数の燃料注入部を備え、
　前記複数の燃料注入部は、前記管状の燃焼室の接線方向に回転対称に取り付けられている、請求項１に記載の熱光起電力発電装置。
　前記管状の燃焼室は、前記管状の燃焼室の中心軸に対し実質的に垂直な断面が、円形、楕円形及び多角形のいずれか一つの形状を有しており、
　前記エミッタは、前記管状の燃焼室の内側に前記管状の燃焼室の前記中心軸と実質的に平行な中心軸を有する円柱形状に配置され、
　前記光電変換素子は、前記エミッタの外側に配置されている、請求項１又は請求項２に記載の熱光起電力発電装置。
　前記管状の燃焼室は、前記管状の燃焼室の中心軸に対し実質的に垂直な断面が、円形、楕円形及び多角形のいずれか一つの形状を有しており、
　前記光電変換素子は、前記エミッタの内側に配置されており、
　前記エミッタと前記光電変換素子との間に、前記管状の燃焼室と実質的に平行な中心軸を有する内挿管が挿入されている、請求項１又は請求項２に記載の熱光起電力発電装置。
　前記エミッタは、前記管状の燃焼室の前記中心軸に対し、所定距離で多数のエミッタ要素が配列されて、全体的な外形が管状をなしている、請求項３又は請求項４に記載の熱光起電力発電装置。
　前記配列された多数の円柱形状のエミッタ部材で囲まれた空間に、前記管状の燃焼室と実質的に平行な中心軸を有する内挿管が挿入されている、請求項５に記載の熱光起電力発電装置。
　前記内挿管の内側に多角柱管が配置されており、前記光電変換素子は前記多角柱管の側面に配置されている、請求項６に記載の熱光起電力発電装置。
　前記管状の燃焼室の開放端に、断熱材を介して取り付けられた延長管をさらに有する、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の熱光起電力発電装置。
　前記延長管の内側に、前記燃料ガスが燃焼した後に排出される排出ガスの熱により装置内に取り込まれる空気を加熱する熱交換器をさらに有する、請求項８に記載の熱光起電力発電装置。
　燃料ガスの旋回流を発生させ、前記旋回流により管状火炎を生成し、
　エミッタを前記管状火炎で加熱し、加熱された前記エミッタからの放射光を受光し電気に変換する、熱光起電力発電方法。