JP2003111459A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電発電モジュールの両側の温度差により電
気出力を得る熱電変換装置において、熱エネルギーを有
効に利用し、熱流体による熱応力の影響を緩和させ温度
変化に対して安定した電気出力を得るようにする。 【解決手段】 内部に熱流体２を導入する熱流体通路１
を配置し、蓄熱媒体１１を収納した蓄熱槽１０をそな
え、この蓄熱槽１０に蓄熱媒体の膨張による蓄熱槽１０
内の圧力を調整する圧力調整手段２０を設けている。こ
の蓄熱槽１０の外側面に熱電発電モジュール５を取り付
け、その外側に冷却通路３を設ける。蓄熱槽１０は熱流
体通路１および十分な蓄熱媒体１１を収納する大きさを
そなえ、圧力調整手段２０で加熱による蓄熱媒体の膨張
による圧力を調整し、蓄熱槽１０や熱電発電モジュール
５の損傷を防止させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温の熱流体から
蓄熱体を介して加熱される高温側伝熱板と、低温側伝熱
板との間に、複数の熱電変換素子からなる熱電発電モジ
ュールを挟み込んで、熱エネルギーを電気エネルギーに
変換させる熱電変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、高温側伝熱板と低温側伝熱板
の間に、２種の異なる金属あるいはＰ型とＮ型の半導体
で環状回路を構成した熱電発電モジュールを挟み込むこ
とにより、熱電発電モジュールの一方側（高温側）と他
方側（低温側）との間に電圧を生じさせるゼーベック効
果を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換す
る熱電変換装置は、例えば、特公昭５８−４４８４２
号、特開平１０−１６３５３８号などによって開示され
ている。

【０００３】このような熱電変換装置は、たとえば図７
に示すように、高温の熱流体が導かれる熱流体通路１０
１と低温の流体を流す冷却通路１０２との間に、両面に
絶縁板１０３をそなえた多数のＰ型、Ｎ型の半導体１０
４を電極１０５で交互に接続した熱電発電モジュール１
０６を取り付けている。このため、熱電発電モジュール
１０６の片側面は、熱流体通路１０１を通る熱流体の熱
が絶縁板１０３を介して供給されて高温になり、他方側
面は冷却通路１０２で低温にされ、この温度差によって
熱電発電モジュール１０６に電圧を発生させている。熱
流体としては、各種エンジンやタービン発電装置、焼却
炉、ボイラーなどの排気ガス、あるいは温泉、ボイラー
の湯などが利用されており、これらの熱流体が金属の熱
流体通路１０１の管壁から絶縁板１０３を介して熱電発
電モジュール１０６を直接加熱するようにしている。

【０００４】また、前記のように熱流体通路の熱流体が
直接熱電発電モジュールを加熱するものでは、熱源から
の熱伝導率が高く、熱流体の温度変化に対する熱電発電
モジュールの出力電圧の応答性が良好であるが、熱流体
通路に急激な温度変化があった場合に、熱流体通路と熱
電発電モジュールとの接合面に大きな応力が加わって変
形や剥離などが発生し、セラミックスなどの耐熱絶縁物
や熱電発電素子にキレツや変形を生じるおそれがあり、
その損傷部分で熱抵抗が増大して発電効率が低下する問
題があった。このため、特開平８−２０５５６７号で
は、複数の発電素子を多段積み構造にして、段間に補強
材となる仕切り板を設けているが、これは変形に対する
機械的な補強に過ぎず、熱応力や出力変動などに対する
考慮がされておらず、構成が複雑大型化している。

【０００５】また、熱源側に蓄熱体を設け、この蓄熱体
を介して加熱される高温側伝熱板と低温側伝熱板の間
に、複数の発電素子からなる熱電発電モジュールを配置
するようにしたものが用いられており、たとえば、アメ
リカ特許第４２５１２９１号には、太陽光を熱源にして
１５０℃程度の融点をもった金属蓄熱材を加熱し、この
蓄熱材と放熱板との間に熱電素子を配置したものが示さ
れており、実開昭６２−１２８１２８号の潤滑装置で
は、潜熱蓄熱材を収納した容器を外部から加熱し、容器
の上面に、熱電発電素子をそなえた熱発電機によって潤
滑油系のポンブを駆動する潤滑装置が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかるに前述のよう
に、高温の熱流体通路に、熱電発電モジュールの一方側
を直接取り付ける熱電発電装置においては、熱流体の温
度変化による発電効率の変動が大きく、熱電発電モジュ
ールとの接合面の変形や剥離などが発生し、熱電発電素
子自体にもキレツや変形を生じる問題がある。このた
め、高温側に蓄熱材を設けたものでは、前記の欠点を解
決できるが、熱源から蓄積材への熱交換効率が発電効率
に与える影響が大きく、蓄熱材の外表面から加熱する従
来の熱電発電装置では、熱交換効率が低いだけでなく、
蓄熱材が金属材料や密閉された容器に収納されているた
め蓄熱材の膨張収縮によって容器が変形したり、熱電発
電モジュールとの接合面に剥離などを発生し易い、

【０００７】本発明は、加熱状態では液体状である蓄熱
材の内部に熱流体通路を配置した蓄熱槽をそなえ、熱流
体通路のほぼ全面で蓄熱材との熱交換を行わせるととも
に、蓄熱槽に蓄熱体の膨張収縮に伴う圧力変化による変
形などを防ぎ、高効率で安定した出力を得ることを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このため、多数の熱電変
換素子からなる熱電発電モジュールを、高温の熱流体通
路と低温の冷却通路の間に配置した熱電変換装置におい
て、内部に熱流体通路を配置し、この熱流体通路に接触
する蓄熱媒体を収納した蓄熱槽をそなえ、前記蓄熱槽に
蓄熱媒体の膨張による圧力を調整する圧力調整手段を設
け、この蓄熱槽の外周と冷却通路の間に熱電発電モジュ
ールを取り付けるようにしている。なお、前記蓄熱媒体
は、水や油などのように常温で液体状の物質や、温度の
上昇によって液化する低融点金属が用いられる。

【０００９】また、前記蓄熱槽内の圧力調整手段とし
て、蓄熱槽内の蓄熱媒体に連通する膨張タンクをそなえ
て膨張した蓄熱媒体を流入させるようにしており、この
膨張タンクに不活性ガスを封入して温度変化による蓄熱
媒体の酸化や劣化を防止することが望ましく、不活性ガ
スを封入する手段として、膨張タンクに隔離用媒体を収
納したトラップを連結している。なお、蓄熱媒体として
昇温により液化する低融点金属を用いる場合は、蓄熱槽
の蓄熱媒体面より上部に、蓄熱槽内の膨張気体を排出さ
せる吸排気孔をそなえるようにしており、また、熱流体
がガス流体であれば、熱流体通路に膨張気体を吸い込む
吸排気孔を設けて熱流体通路を介して排出させることが
できる。

【００１０】また、熱流体通路に熱流体と蓄熱媒体との
熱交換を促進させるため、蓄熱槽内の熱流体通路にフィ
ンを設けている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図に示す実施例について説
明する。図１および図２において、１は焼却炉の排ガス
などの熱流体２を導入する熱流体通路、３は冷水などの
冷却媒体４を供給する冷却通路、５は熱電発電モジュー
ルで、従来と同様に構成され、たとえば図２に示すよう
にＰ型とＮ型の半導体素子６ａ、６ｂを両側面の電極板
７ａ、７ｂで順次に接続し環状回路を構成させている。
８は前記熱電発電モジュール５の両側にそなえた絶縁
板、９は装置の外周を囲む断熱材である。１０は蓄熱槽
で、内部にコイル状にした熱流体通路１を配置し、常温
で液体状の蓄熱媒体１１（たとえば水、油など）を満た
している。この蓄熱槽１０の外周に熱電発電モジュール
５の高温側の絶縁板８を取り付け、低温側の絶縁板８を
冷却通路３に取り付けている。熱電発電モジュール５の
絶縁板８と蓄熱槽１０および冷却通路３との接合面に
は、熱伝導性の良いグリースを塗布しておくのが望まし
い。２０は圧力調整手段で、膨張タンク２１をそなえ、
蓄熱槽１０と液通路２２で連通させており、上部の開放
孔２３にフィルター２４を設けている。なお、熱流体通
路１の形状は、図に示したコイル状のものに限られず、
適宜の熱交換構造にすることができる。

【００１２】このように、内部に熱流体通路１を配置
し、蓄熱媒体１１を満たした蓄熱槽１０を設け、この蓄
熱槽１０内の熱流体通路１に、焼却炉の排ガスなどの高
温の熱流体２が供給され、その周囲にたとえば水や油な
どの液体状の蓄熱媒体を封入している。したがって、熱
流体通路１を通る熱流体２により蓄熱媒体１１を昇温さ
せ、この蓄熱媒体１１を介して熱電発電モジュール５を
間接的に加熱する。このため、熱流体通路１を通る熱流
体２の温度が急激に変化しても、蓄熱媒体１１の熱容量
によって絶縁板８や熱電発電モジュール５に加わる温度
変化が緩和され、急激な変動を生じることがなく、熱電
発電モジュール５との接合面等に加わる熱応力を小さく
し、絶縁板や発電素子および接合部分などの変形や損傷
をなくすとともに、出力電圧の変動も小さくなり安定し
た電気エネルギーを得ることができる。また、蓄熱槽１
０の容量を大きくでき、蓄熱槽内の熱流体通路１と蓄熱
媒体１１との接触面が大きく良好な熱伝達が行われ、こ
の蓄熱槽１０に圧力調整手段２０を設けているので、温
度上昇により膨張した蓄熱媒体１１は、液通路２２から
膨張タンク２１に流入して蓄熱槽１０内の圧力を調整
し、蓄熱槽自体および蓄熱槽に取り付けられた熱電発電
モジュール５などの変形、破損を防止する。

【００１３】図３は別の実施例を示すもので、図１の実
施例と同じ部分に同一の符号を付しており、熱流体通路
１を複数の平行する通路に分岐させて、蓄熱媒体１１と
の接触面を大きくしており、圧力調整手段２０は、液通
路２２を介して蓄熱槽１の上部に設けた膨張タンク２１
に蓄熱媒体１１の酸化を防ぐ不活性ガス２５を封入して
いる。蓄熱槽１内の蓄熱媒体１１として油などを用いる
場合は、熱流体通路１を通る熱流体２により加熱される
が、外気と接触すると酸化反応が促進され劣化が著しく
なる。このため、蓄熱媒体１１が液通路２２から流入す
る膨張タンク２１内に不活性ガス２５を封入し、膨張タ
ンク２１の上部に連通するトラップ２６をそなえてい
る。このトラップ２６は、第１膨張室２６ａおよび第１
膨張室の下部で連通する第２膨張室２６ｂで形成され、
第１膨張室２６ａと第２膨張室２６ｂに隔離媒体２７を
収納している。したがって、膨張により蓄熱槽１０から
液通路２２を通って膨張タンク２１に流入する蓄熱流体
１１の上面が常に不活性ガス２５と接触し、第１膨張室
２６ａと第２膨張室２６ｂからなるトラップ２６に収納
した隔離媒体２７で不活性ガス２５を封入させている。

【００１４】図４は異なる実施例を示すもので、図１の
実施例と同じ部分に同一の符号を付しており、蓄熱媒体
１１は、温度上昇によって液化する低融点金属、たとえ
ばＢｉ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｐｂなどの純金属や、Ｂｉ、Ｐ
ｂ、Ｓｎ、Ｃｄ、Ｉｎからなる合金などを用い、圧力調
整手段２０は、蓄熱槽１０内の蓄熱媒体１１の面より上
の空間に連通する吸排気孔で構成している。

【００１５】前述の実施例のように、蓄熱媒体１１とし
て常温で液体状の水や油などを使用すると、加熱による
蓄熱媒体１１の膨張が大きく、膨張タンク２１を設けて
蓄熱槽１０内の圧力を調整させる必要があり、とくに油
を用いる場合は、火災や酸化に対する対策が必要にな
る。また、液体の顕熱のみを利用して熱電発電モジュー
ルを加熱させることになるので、装置の小形化が困難で
ある。

【００１６】この実施例では蓄熱媒体１１として、温度
上昇によって液化する低融点金属を用いているので、熱
流体２が熱流体通路１に導入されると、蓄熱媒体１１が
加熱され、温度上昇によって液化し、熱流体２の温度近
くまで蓄熱される。蓄熱媒体の蓄熱により絶縁板８を介
して熱電発電モジュール５の一方側面が加熱され、冷却
された他方側面との温度差により電気を発生させる。蓄
熱媒体１１は蓄熱槽１０の上部に空間を残しており、圧
力調整手段２０は、蓄熱槽１０上部に設けた外気に開放
される吸排気孔で構成され、前記空間の膨張した空気を
放出させる。このように蓄熱媒体１１として、温度上昇
によって液化する低融点金属を用いることにより、蓄熱
媒体の固体時の顕熱と、固体から液体への相転換時の潜
熱、および液体時の顕熱を利用することができるので、
蓄熱効果が向上し、蓄熱媒体の量を少なくすることがで
き、装置の小形化が可能になり、圧力調整手段２０も簡
単にすることができる。

【００１７】蓄熱媒体にシリコンオイルを用いた場合
と、低融点金属Ｂｉを用いた場合の蓄熱量を比較した結
果、蓄熱媒体の体積Ｖ＝１ｍ3 、蓄熱温度Ｔ＝４００℃
とした時に、シリコンオイルでは５７３ＭＪ、Ｂｉを用
いた場合は１０７４ＭＪが得られた。このように、蓄熱
効果は約２倍になり、同じ蓄熱量を得る場合は、蓄熱媒
体の量を少なくし、蓄熱槽を小さくすることができる。

【００１８】なお、図の実施例では、蓄熱槽１０内の熱
流体通路１を導入管部分より大径にして熱源から排出さ
れる熱流体２の流速を調整し、熱源となるボイラーやエ
ンジンなどの負荷が増大しないようにするとともに、蓄
熱槽１０内における表面積を増大させ、蓄熱媒体１１と
の接触面を増して熱交換効率を向上させるようにしてい
る。また、常温で液体状である蓄熱媒体１１を用いる場
合は、蓄熱槽１０内の上部に不活性ガスを収納した空間
を設け、この空間に連通する吸排気孔にトラップをそな
えておけばよい

【００１９】図５は、熱流体２として蓄熱媒体１１に影
響を与えないガスなどの気体を用いた場合の例で、圧力
調整手段２０は、図４に示した実施例における吸排気孔
に代えて、蓄熱槽１０内の熱流体通路１の、蓄熱媒体１
１が膨張したときでも蓄熱媒体と接触しない部分に、蓄
熱媒体上面の空間に連通する連通孔を設けて構成してい
る。したがって、加熱により蓄熱槽１０内の気体が膨張
し、蓄熱槽内の圧力が増大すると、蓄熱槽１０上部の空
間にある気体が圧力調整手段（連通孔）２０から熱流体
通路１内に矢示のように吸い込まれて、熱流体２ととも
に排出され、蓄熱槽１０を外気と隔離したままで圧力を
調整する。

【００２０】図６の実施例は、蓄熱槽内における熱交換
効率を向上させて発電を効率的に行い得るようにしたも
ので、蓄熱槽１０内の熱流体通路１の外面に、蓄熱媒体
１１に接触するフィン１２を設けている。なお、フィン
の形状は、図に示すものに限られず、たとえば熱流体通
路１の軸方向に凸条を設置してもよい。また、熱流体通
路１の内面にも内部フィン１３を設けることができ、熱
流体通路内面では流速を妨げないよう、入り口の間隙１
４を大きくしたり、図示のように軸方向のフィンにする
ことが望ましい。

【００２１】

【発明の効果】このように本発明は、多数の熱電変換素
子からなる熱電発電モジュールを、高温の熱流体通路と
低温の冷却通路の間に配置した熱電変換装置において、
内部に熱流体通路を配置し、この熱流体通路に接触する
蓄熱媒体を収納した蓄熱槽をそなえ、この蓄熱槽に蓄熱
媒体の膨張による圧力を蓄熱槽外に放出する圧力調整手
段を設け、蓄熱槽の外周と冷却通路の間に熱電発電モジ
ュールを取り付けているので、熱流体通路からの高温を
直接熱電発電モジュールに加えることがなく、蓄熱槽内
に十分な量の蓄熱媒体が保持され、熱流体通路を適宜の
形状にして広い面で蓄熱媒体と接触させることができ、
熱流体通路の外面全部が蓄熱媒体と接触するので、熱エ
ネルギーを外気などに放散させずに良好な熱伝達効率で
熱交換を行わせ、蓄熱効果を増大させさせることがで
き、発電効率を向上させ安定した電気出力を得られる。
また、圧力調整手段により、加熱時の蓄熱媒体の膨張に
よる内圧を調整し、蓄熱槽内の蓄熱媒体が膨張しても、
蓄熱槽内の圧力上昇を有効に防止し、蓄熱槽自体や熱電
発電モジュールおよび接合面に急激な熱応力を加えるこ
とがなく、蓄熱槽に大きな強度を必要としないで、変形
や損傷を防ぐとともに、変形や損傷による発電効率の低
下をなくし得るなどの効果がある。

【００２２】また、常温で液体状の蓄熱媒体を満たした
蓄熱槽を用いる場合に、前記蓄熱槽内に連通して膨張し
た蓄熱媒体を流入させる膨張タンクをそなえ、加熱によ
る蓄熱槽内の圧力増加を自動的に調整して蓄熱槽の変形
を防ぐとともに、この膨張タンク内に不活性ガスを収納
することにより、わずかな量の不活性ガスで、蓄熱媒体
の酸化、劣化を確実に防止する効果が得られる。なお、
前記膨張タンク内の不活性ガスに連通させて、隔離用媒
体を収納したトラップを連結することにより、不活性ガ
スの外気への放出を防止できる。

【００２３】また、蓄熱槽内に温度の上昇により液化す
る蓄熱媒体を収納した場合は、圧力調整手段として、蓄
熱槽内の蓄熱媒体より上部吸排気孔を設けることによ
り、加熱による蓄熱槽内の膨張気体を排出させることが
でき、簡単な構成で蓄熱槽の圧力増加による変形を防ぐ
ことができる。なお、蓄熱槽内に熱流体通路から熱流体
が漏れても差し支えがない場合は、前記吸排気孔に代え
て蓄熱槽内の熱流速通路の蓄熱媒体と接触しない位置に
連通孔を設けることにより、蓄熱槽内の膨張気体を熱流
体の流れによって吸い込み、熱流体とともに排出させる
ことができ、蓄熱槽を外気から隔離させ、構造を簡単に
し得る利点がある。

【００２４】また、大きな蓄熱槽を用いられるので、蓄
熱槽内の熱流体通路に、少なくとも蓄熱媒体と接触する
面にフィンをそなえることができ、熱流体と蓄熱媒体と
の熱交換を効率よく行わせ、発電効率を向上させるなど
の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す側断面図である。

【図２】図１における一部の拡大図である。

【図３】他の実施例を示す側断面図である。

【図４】別の実施例を示す側断面図である。

【図５】図４の一部を変更した実施例を示す部分側断面
図である。

【図６】さらに異なる実施例を示す側断面図である。

【図７】従来の例を示す側断面図である。

【符号の説明】

１ 熱流体通路 ２ 熱流体 ３ 冷却通路 ４ 冷却媒体 ５ 熱電発電モジュール ６ａ、６ｂ 半導体素子 ７ａ、７ｂ 電極板 ８ 絶縁板 ９ 断熱材 １０ 蓄熱槽 １１ 蓄熱媒体 １２ フィン １３ 内部フィン １４ 間隙 ２０ 圧力調整手段 ２１ 膨張タンク ２２ 液通路 ２３ 開放孔 ２４ フィルター ２５ 不活性ガス ２６ トラップ ２６ａ 第１膨張室 ２６ｂ 第２膨張室 ２７ 隔離媒体

フロントページの続き (72)発明者 カビル ムハマド エナムル 福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号 株式会社安川電機内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数の熱電変換素子からなる熱電発電モ
   ジュールを、高温の熱流体通路と低温の冷却通路の間に
   配置し温度差により発電させる熱電変換装置において、
   内部に熱流体通路を配置し、この熱流体通路に接触する
   蓄熱媒体を収納した蓄熱槽をそなえ、前記蓄熱槽に蓄熱
   媒体の膨張による圧力を蓄熱槽外に放出する圧力調整手
   段を設け、この蓄熱槽の外周と冷却通路の間に熱電発電
   モジュールを取り付けたことを特徴とする熱電変換装
   置。
2. 【請求項２】 前記蓄熱媒体が、常温で液体状である請
   求項１の熱電変換装置。
3. 【請求項３】 前記蓄熱媒体が、温度の上昇によって液
   化する低融点金属である請求項１の熱電変換装置。
4. 【請求項４】 前記圧力調整手段が、蓄熱槽内に連通
   し、加熱によって膨張する蓄熱媒体を流入させる膨張タ
   ンクからなり、蓄熱槽に常温で液体状である蓄熱媒体と
   を収納している請求項１または２の熱電変換装置。
5. 【請求項５】 前記膨張タンクに、不活性ガスを封入
   し、前記不活性ガスと外気との間に隔離用媒体を収納し
   たトラップを連結している請求項４の熱電変換装置。
6. 【請求項６】 前記圧力調整手段が、蓄熱槽内に連通す
   る吸排気孔で構成され、蓄熱槽内に温度の上昇により液
   化する蓄熱媒体を上部に空隙を残して収納している請求
   項１または３の熱電変換装置。
7. 【請求項７】 前記吸排気孔が、蓄熱槽内に収納した蓄
   熱媒体の面より上の熱流体通路に設けられている請求項
   ６の熱電変換装置。
8. 【請求項８】 前記熱流体通路が、少なくとも蓄熱槽内
   の蓄熱媒体と接触する面にフィンをそなえている請求項
   １ないし７のいずれかに記載した熱電変換装置。