JPH02223391A - 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〕

従来の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する原子力
発電設備は、たとえば、第１１図に示すような構成から
なっている。

第１１図において、５１は原子炉格納容器、５２は原子
炉、５３は１次系高温溶融ナトリウムライン、５４は中
間熱交換器、５５は２次系高温溶融ナトリウムライン、
５６は高温高圧の蒸気発生器、５７は蒸気ライン、５８
は蒸気タービン、５９は交流発電機、６０は電力送電ラ
インである。

すなわち、原子炉５２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５４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５６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５８に供給され、該タービン５８は回
転して交流発電機５９を回転駆動し、該発電機５９で交
流電力が発生されて電力送電ライン６０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５４、蒸気発生
器５６、蒸気タービン５８、発電機５９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
などに多くの費用がかかり、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、発電機などが不要
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、安全性および信鯨性を大幅
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熱電素材と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
であるものを挟んでサンドイッチ状に形成されていると
ともに、ドーナツ状に形成されていて、内周部と外周部
のいずれか一方が高温側になっているとともに、他方が
低温側になってい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ものを介して積層した中空筒状の熱
電素子集合体と、前記熱電素子集合体の中央の中空部に
位置している熱の導体である内管と、前記熱電素子集合
体の外側に位置している熱の導体である外管とを備えた
熱電発電器からなり、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。

〔作　用〕

本発明によれば、高温流体と低温流体を各別の波路に連
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、１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、１０は電力送電ラインであ
る。

すなわち、原子炉２で約５００’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４００°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℃の冷却水は、
冷却水供給うイン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、熱電発電器２３の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熱電素
材、１２はＮ型アモルファス半導体熱電素材、１３は電
気絶縁物、１４は正孔（＋）、１５は電子（−）、１６
は導線、１６ａは高温側電気導体、１６ｂ、１６ｃは低
温側電気導体、１７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１１
　、１２の間に起電力が発生し、これに電球１７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。

ただし、 したがって、上記（１）式から、熱電素子は、ゼーベッ
ク係数が大きく、電気を良く通し、熱は通さない物質が
望ましい。

第１表は主な物質の性能指数を表わしている。

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ＦｅＳ　ｉ　２
は性能指数Ｚが１０−！であり、また原料も安価である
ため、アモルファス半導体熱電素材としては、前記Ｆｅ
５ｉ＝が望ましい。

第４図は第１図の熱電発電装置３を示した一部切欠正面
断面図である。

第４図において、１８は円筒状の外殻、１９は主管板、
２０は補助管板、２１は後述する熱電発電器、２２は第
１図の溶融ナトリウム供給ライン４を接続するナトリウ
ム入口、２３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、２４は第１図の冷却水供給ライ
ン７を接続する冷却水入口、２５は同じく冷却水排出ラ
イン８を接続する冷却水出口、２６は該外殻１８内での
冷却水の上昇流を蛇行状にするための邪魔板、２７は該
主管板１９と補助管板２０の間に設けられてヘリウム（
Ｈｅ）や窒素（Ｎ２）などの不活性ガスを封入するため
の不活性ガス入口である。

そして、熱電発電器２１は多数立設されており、各熱電
発電器２１は電気的に並列に接続されている。

第５図は第４図の熱電発電器２１を拡大して示した一部
切欠正面断面図である。

熱電発電器２１は、中空円筒状の熱電素子集合体２８と
、この熱電素子集合体２８の中央の中空部に位置して後
述する熱電素子の高温側に熱を与える高温溶融ナトリウ
ムを流す内管２９と、熱電素子集合体２８の外側に位置
して熱電素子の低温側から熱を奪う冷却水と外接するよ
うに設けられた外管３０とを備えている。

そして、熱電素子集合体２日は、Ｐ型アモルファスＦｅ
５ｉｔ半導体熱電素材３１とＮ型アモルファスＦｅＳｉ
、半導体熱電素材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３３を挟んでサンドイッチ状に形
成されているとともに、ドーナツ状に形成されてしζて
、内周面が高温側になっているとともに、外周面が低温
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を介して積層した中空円
筒状のものからなって、いる。

しかも、熱電素子集合体２８”の熱電素子３４の各Ｐ型
アモルファスＰｅＳｉ　ｚ半導体熱電素材３１と各Ｎ型
アモルファスＦｅ５ｉｚ半導体熱電素材３・２が高温側
と低温側と交互に順に電気的に電気導体３６と３７によ
って接続されて全体として直列に接続されている。

前記熱電素子集合体２日には、電気導体３６の内周面°
と内管２９の外周面に密接した内層３８と、電気導体３
７の外周面と外管３０の内周面に密接した外層３９とを
有し、内層３８および外７１３９は、ともに、電気的に
は不良導体で、熱的には良導体である酸化ベリリウムな
どからなっている°。

また内管２９と外管３０の間には断熱材４０が設けられ
ている。

第５図に示すように構成された熱電発電器２１において
は、高温溶融ナトリウムが内管２９を流下することによ
って、熱電素子集合体２８の各熱電素子３４の高温側が
加熱され、同時に各熱電素子３４の低温側が冷却水によ
って冷却されるので、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、各熱電素子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。また前記内管２９と
外管３０の間は気密構造とし、矢印４１で示すように、
加圧されたＨｅやＮ２等の不活性ガスを封入し、運転中
は、そのガス圧を検知し、内管２９および外管３０のリ
ークをモニタする。該内管２９と外管３０の少なく、と
も一方がリークしても、そのガス圧を高温溶融ナトリウ
ム圧および外管３０の外周の冷却水の水圧より高くする
ことにより、前記気密構造の内部へのナトリウムと水の
もれがないようにし、ナトリウムと水が反応するのを防
止する。

第６図は本発明の第２実施例を示した熱電発電装置３の
一部切欠正面断面図であり、第７図は第６図の熱電発電
器２１を拡大して示した一部切欠正面断面図である。

この第６図が前述の第４図と異なる点は、外殻１８の下
部では、管仮については、主管板１９だけであり、上部
では、主管板１９と補助管板２０の間に中間管板４２を
設け、また第７図に示すように、高温溶融ナトリウムを
流す内管が、内側細管４３と外側細管４４の２重管から
なり、それらを支持材４５で支持している。そして、高
温溶融ナトリウムが内側細管４３では下降流となり、外
側細管４４では上昇流となる。したがって、第６図に示
すように、ナトリウム出口２３を主管板１９と中間管板
４２の間に設け、冷却水人口２４を比較的上方に設け、
冷却水出口２５を比較的下方に設けたことである。

このように、高温溶融ナトリウムを流す内管を内側細管
４３と外側細管４４にすることにより、上部はナトリウ
ム（Ｎａ）のみの領域、下部は冷却水の領域と、Ｎａ・
水の分離が行なわれ、Ｎａ・水の反応の発生が防げる。

その他は、第４図および第５図に示した第１実施例と同
様である。

第８図は本発明の第３実施例の熱電素子のみを示したも
ので、第８図（ａ）は平面図、第８図（ｂ）は断面図、
第８図（Ｃ）は各部分の温度こう配の説明図、第８図（
ｄ）は性能指数と温度の関係の説明図である。

これは、特性の異なるアモルファスＦｅＳｉ、半導体熱
電素材！、　　ＩＩ、　　ＩＩＩを多層域化することに
より、熱を有効利用することができる熱電素子４６を示
している。

第８図において、４７は電気的にも熱的にも不良導体で
ある絶縁物、４８は高温側の導体、４９は低温側の導体
であり、また低温側の導体４９での温度はＴ（１、高温
側の導体４８での温度はＴ１、その中間では温度がＴｔ
　とＴ２であり、それぞれ、第８図（Ｃ）のように、’
ｒｏ　＜Ｔ、　＜’ｒｚ　＜Ｔ３の関係にある。

すなわち、熱電素子４６内の温度こう配に適合するよう
な温度依存性を有する性能指数を持ったそれぞれのアモ
ルファスＦｅ５ｉ８半導体熱電素材を一体構造に成型す
る。

このようにすると、取り出されるエネルギーは以下のよ
うになる。

起電力をＥ、温度をＴ、それぞれの性能指数をｚ、、Ｚ
、、Ｚｃ　とすると、 このため、１つの材料を使用するより、はるかに大きな
起電力が得られる。第８図（ｄ）のＡ、Ｂ。

Ｃとしては、それぞれＣ，Ｈ，、Ｏ□プラズマ雰囲気中
で作られたアモルファスＦｅ５ｉｚ半導体熱電素材等が
、考えられる。

第９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、各熱電発電器２１の熱電素子の内
周部が低温側で外周部が高温側である場合であり、つま
り、該低温側と高温側が、ちょうど、第４図の場合とは
逆になっており、その他は同様である。すなわち、第９
図の場合は、冷却水が冷却水人口２４から連続的に入り
、熱電発電器２１の内管２９内を上昇して冷却水出口２
５から排出され、同時に、高温溶融ナトリウムは連続し
てナトリウム人口２２から入り、熱電発電器２１の外管
の外面に沿って流下し、ナトリウム出口２３から排出す
るようになっている。このようにしても、第４図の場合
と同じ効果を奏する。

第１０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、高温流体として高温ヘリウムガス
（Ｈｅ）を使用する場合であり、第９図と異なるのは、
外殻１８にガス人口２２ａとガス出口２３ａが設けられ
ており、熱電発電器２１の外周面に多数のフィン５０が
設けられている点である。

この第５実施例では、たとえば、約８００°Ｃの高温ヘ
リウムガスがガス人口２２ａから流入し、各熱電発電器
２１の高温側を連続的に加熱して約４００°Ｃに降温し
、ガス出口２３ａから流出する。同時に約２５°Ｃの冷
却水は冷却水人口２４から流入し、各熱電発電器２１の
内管２９を通って該熱電発電器２１の低温側を連続的に
冷却して約３２℃に昇温し、冷却水出口２５から流出す
る。これにより、咳熱電発電器２１から連続的に直流電
力をとり出すことができる。

なお第４図ないし第７図および第９図では、高温流体と
して高温溶融ナトリウム（ＦＪａ）を、第１０図ではヘ
リウムガス（Ｈｅ）を例示したが、これらは、リチウム
（Ｌｉ）やナック（ＮａＫ）またはアルゴン（Ａｒ）、
窒素（Ｎｚ＞、水素（）Ｉｔ）、燃焼ガス、燃焼排ガス
などを用いでもよい。また低温流体としては水辺外に空
気などを用いてもよい。

さらに、第４図、第６図、第９図および第１０図では、
各熱電発電器２１の間が電気的に並列に接続されている
が、これは並列以外に、直列あるいは直列と並列を組み
合わせたものでもよい。

〔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
ス半導体熱電素材と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ものを挟
んでサンドイッチ状に形成されているとともに、ドーナ
ツ状に形成されていて、内周部と外周部のいずれか一方
が高温側になっているとともに、他方が低温側になって
いる熱電素子の多数を、電気的にも熱的にも不良導体で
あるものを介して積層した中空筒状の熱電素子集合体と
、この熱電素子集合体の中央の中空部に位置している熱
の導体である内管と、該熱電素子集合体の外側に位置し
ている熱の導体である外管とを備えた熱電発電器からな
るので、該熱電発電器が筒形となって、その内部に必要
な前記各部材を一体化させることができて、コンパクト
なものとなる。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
側へ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、したかって、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転性を大幅に向上させ
ることができる。しかも、前記各熱電素子は電気的に直
列に接続されているので、それぞれに発生した起電力の
総和の比較的大きな直流電力が得られる。

【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
熱電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
装置を示した一部切欠正面断面図、第５図は第４図の熱
電発電器を拡大して示した一部切欠正面断面図、第６図
は本発明の第２実施例を示した熱電発電装置の一部切欠
正面断面図、第７図は第６図の熱電発電器を拡大して示
した一部切欠正面断面図、第８図（ａ）、　（ｂ）。 （Ｃ）、（ｄ）は本発明の第３実施例の熱電素子のみを
示した説明図、第９図は本発明の第４実施例を示した一
部切欠正面断面図、第１Ｏ図は同じく第５実施例を示し
た一部切欠正面断面図、第１１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・・・熱電発電器、２
２・・・ナトリウム入口、２２ａ・・・ガス入口、２３
・・・ナトリウム出口、２３ａ・・・ガス出口、２４・
・・冷却水入口、　　　２５・・・冷却水出口、２７・
・・不活性ガス入口、２８・・・熱電素子集合体、２９
・・・内管、　　　　　　３０・・・外管、３１・・・
Ｐ型アモルファスＦｅ５ｉｌ半導体熱電素材、３２・・
・Ｎ型アモルファスＦｅ５ｉｚ半導体熱電素材、３３・
・・電気的にも熱的にも不良導体である絶縁物、　　　
　　　３４・・・熱電素子、３５・・・電気的にも熱的
にも不良導体である絶縁物、　　　　３６．３７・・・
電気導体、３８・・・内層、　　　　　　３９・・・外
層、４３・・・内側細管、　　　　４４・・・外側細管
、６・・・熱電素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｐ型アモルファス半導体熱電素材と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
   導体であるものを挟んでサンドイッチ状に形成されてい
   るとともに、ドーナツ状に形成されていて、内周部と外
   周部のいずれか一方が高温側になつているとともに、他
   方が低温側になつてい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ものを介して積層した中空筒状
   の熱電素子集合体と、前記熱電素子集合体の中央の中空
   部に位置している熱の導体である内管と、前記熱電素子
   集合体の外側に位置している熱の導体である外管とを備
   えた熱電発電器からなり、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、熱電素子集合体と内管の間および該熱電素子集合体
   と外管の間のそれぞれに、電気的には不良導体で熱的に
   は良導体である内層および外層を有する請求項１または
   ２記載の熱電発電装置。 ４、熱電発電器の内管に高温流体を流し、該熱電発電器
   の外管の外面に低温流体を流すようにした請求項１、２
   または３記載の熱電発電装置。 ５、熱電発電器の内管に低温流体を流し、該熱電発電器
   の外管の外面に高温流体を流すようにした請求項１、２
   または３記載の熱電発電装置。 ６、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、４また
   は５記載の熱電発電装置。 ７、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、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
   金属であり、該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、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、６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、熱電発電器の内管と外管の間を気密構造とし、そ
   の間に不活性ガスを供給するようにした請求項１、２、
   ３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２または
   １３記載の熱電発電装置。 １５、不活性ガスがヘリウムである請求項１４記載の熱
   電発電装置。 １６、不活性ガスが窒素である請求項１４記載の熱電発
   電装置。 １７、不活性ガスの封入圧の変化を検知するガス圧検出
   器を有している請求項１４、１５または１６記載の熱電
   発電装置。