JPH0817481A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、発電部における高温熱媒体の温度低
下および低温熱媒体の温度上昇を抑制でき、かつ各熱媒
体の搬送に必要な動力の削減が可能な熱電変換装置を提
供することを目的とする。 【構成】本発明は、熱供給装置１００と、該熱供給装置
１００により加熱された高温熱媒体３００を循環させる
高温熱媒体循環管路２００と、放熱装置６００と、該放
熱装置６００により冷却された低温熱媒体８００を循環
させる低温熱媒体循環管路７００と、高温熱伝達部５０
１と、低温熱伝達部５０２と、該高温熱伝達部５０１と
該低温熱伝達部５０２の間に接触して設置した熱電変換
素子５３０からなる発電部５００で構成される熱電変換
装置において、前記熱供給装置１００として沸騰形熱供
給装置を用いることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱電変換素子に熱媒体
によって温度差を与えることにより発電を行う熱電変換
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、熱機関や燃料電池、電子機器等の
排熱を有効に利用するため、熱を電気に直接変換する熱
電変換装置の研究開発がさかんに行われている。従来の
熱電変換装置の構成例を図４に示す。本装置は熱供給装
置１０、高温熱媒体循環管路２０、高温熱媒体３０、高
温熱媒体循環ポンプ４０、発電部５０、放熱装置６０、
低温熱媒体循環管路７０、低温熱媒体８０、低温熱媒体
循環ポンプ９０から構成され、発電部５０は高温熱伝達
部５１、低温熱伝達部５２、熱電変換素子５３からな
る。

【０００３】本装置の動作を以下に示す。熱供給装置１
０は、高温熱媒体３０を加熱昇温する。加熱昇温された
高温熱媒体３０は、高温熱媒体循環ポンプ４０により高
温熱媒体循環管路２０を通して搬送され、発電部５０内
の高温熱伝達部５１に供給される。一方、放熱装置６０
は、低温熱媒体８０を冷却降温する。冷却降温された低
温熱媒体８０は、低温熱媒体循環ポンプ９０により低温
熱媒体循環管路７０を通して搬送され、発電部５０内の
低温熱伝達部５２に供給される。発電部５０内の熱電変
換素子５３は、高温熱伝達部５１と低温熱伝達部５２の
両者の間にそれぞれ接触して設置されているため、高温
熱伝達部５１において高温熱媒体３０の強制対流により
伝達された熱が熱電変換素子５３を貫流し、低温熱伝達
部５２において低温熱媒体８０に伝達される。このとき
熱電変換素子５３には熱抵抗が存在するため両端に温度
差が発生し、これにより電力が生じる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし本装置では、高
温熱媒体３０および低温熱媒体８０の顕熱により熱伝達
を行う方式であるため、高温熱伝達部５１および低温熱
伝達部５２内部の温度は場所により一定ではなく、図５
に示すように、高温熱媒体３０の温度は発電部５０の入
口付近では熱供給装置１０の出口温度とほぼ等しいため
高く、発電部５０の出口に近づくにつれて熱量を奪われ
て低くなる。逆に、低温熱媒体８０の温度は発電部５０
の入り口付近では放熱装置６０の出口温度とほぼ等しい
ため低いが、発電部５０の出口に近づくにつれて熱量を
与えられて高くなる。この結果、発電部５０における、
高温熱媒体３０と低温熱媒体８０の平均温度差は、熱供
給装置１０の出口と放熱装置６０の出口の温度差に比べ
必ず小さくなるため、装置の変換効率低下につながると
いう問題がある。

【０００５】この問題を解決する手段として、高温熱媒
体３０および低温熱媒体８０の循環速度を上げることに
より、発電部５０における高温熱媒体３０の温度低下お
よび低温熱媒体８０の温度上昇を抑える方法が考えられ
るが、この場合、高温熱媒体循環ポンプ４０および低温
熱媒体循環ポンプ９０の消費電力が増大し、装置の変換
効率が低下することが問題となる。

【０００６】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、発電部における高温熱媒体の温度低下および低温熱
媒体の温度上昇を抑制でき、かつ各熱媒体の搬送に必要
な動力の削減が可能な熱電変換装置を提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では高温熱媒体および低温熱媒体として気液二
相変態が可能な流体を使用し、熱供給装置は液体の高温
熱媒体を加熱し、飽和蒸気とすることにより熱を与え
る。飽和蒸気の高温熱媒体は高温熱媒体循環管路を通し
て発電部内の高温熱伝達部へ搬送され、高温熱伝達部で
凝縮させることにより凝縮潜熱を熱電変換素子を介して
低温熱伝達部に伝達させる。凝縮により発生する液体の
高温熱媒体は熱供給装置に環流される。低温熱伝達部に
は液体の低温熱媒体が充填され、高温熱伝達部から与え
られる熱により、液体の低温熱媒体を飽和沸騰をさせる
ことにより熱を伝達させる。低温熱伝達部で発生した飽
和蒸気の低温熱媒体は低温熱媒体循環管路を通して放熱
部に搬送されて冷却されることにより凝縮し、再び液体
の低温熱媒体となり、低温熱伝達部に環流される。

【０００８】また、高温熱伝達部での飽和蒸気の高温熱
媒体の凝縮により生じる液体の高温熱媒体の液位と、熱
供給装置内の液体の高温熱媒体の液位が等しくなる高さ
に熱供給装置を設置する。さらに、低温熱伝達部に充填
された液体の低温熱媒体の液位と、放熱装置内の液体の
低温熱媒体の液位が等しくなる高さに、放熱装置を設置
する。

【０００９】

【作用】上記手段により、高温熱伝達部における熱伝達
は、飽和蒸気の高温熱媒体の凝縮熱伝達で行われるた
め、高温熱伝達部の温度を発電部入口付近、出口付近を
問わず熱供給装置出口の飽和蒸気と等しい温度で一定と
することができる。また、低温熱伝達部における熱伝達
は、液体の低温熱媒体の飽和沸騰熱伝達で行われるた
め、低温熱伝達部の温度を発電部の入口付近、出口付近
を問わず放熱装置出口の飽和液体と等しい温度で一定と
することができる。従って、発電部における、高温熱媒
体と低温熱媒体の平均温度差を、熱供給装置の出口と放
熱装置の出口の温度差と等しくすることができ、発電部
における高温熱媒体の温度低下および低温熱媒体の温度
上昇による装置の効率低下を抑制できる。

【００１０】また、熱供給装置内の液体の高温熱媒体の
液位と高温熱伝達部の液体の高温熱媒体の液位を等しく
しようとする作用が重力により常に働くため、熱供給装
置において液体の高温熱媒体が沸騰により蒸発して液位
が低下した場合、高温熱伝達部内の液体の高温熱媒体が
無動力で熱供給装置に環流される。

【００１１】同様に、低温熱伝達部の液体の低温熱媒体
の液位と放熱装置内の液体の低温熱媒体の液位を等しく
しようとする作用が重力により常に働くため、低温熱伝
達部において液体の低温熱媒体が沸騰熱伝達により蒸発
して液位が低下した場合、放熱装置内の液体の低温熱媒
体が無動力で低温熱伝達部に供給される。

【００１２】さらに、高温熱伝達部の飽和蒸気の高温熱
媒体の圧力と熱供給装置内の飽和蒸気の高温熱媒体の圧
力を等しくしようとする作用が常に働くため、高温熱伝
達部において飽和蒸気の高温熱媒体が凝縮して圧力が低
下した場合、熱供給装置内の飽和蒸気の高温熱媒体が無
動力で高温熱伝達部に供給される。

【００１３】同様に、放熱装置内の飽和蒸気の低温熱媒
体の圧力と低温熱伝達部の飽和蒸気の低温熱媒体の圧力
を等しくしようとする作用が常に働くため、放熱装置に
おいて飽和蒸気の低温熱媒体が凝縮して圧力が低下した
場合、低温熱伝達部の飽和蒸気の低温熱媒体が無動力で
放熱装置に環流される。

【００１４】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。 （実施例１）本発明の第１の実施例を図１に示す。

【００１５】本実施例は、沸騰形熱供給装置１００、高
温熱媒体循環管路２００、高温熱媒体３００、発電部５
００、凝縮形放熱装置６００、低温熱媒体循環管路７０
０、低温熱媒体８００から構成され、高温熱媒体３００
は、高温飽和蒸気３０２および高温液体３０１で、低温
熱媒体８００は低温飽和蒸気８０２および低温液体８０
１からなる。また、発電部５００は高温熱伝達部５０
１、低温熱伝達部５０２、熱電変換素子５３０からなり
熱電変換素子５３０は、高温熱伝達部５０１と低温熱伝
達部５０２の両者の間で、高温熱伝達部５０１内の高温
液体３０１の液位より高く、低温熱伝達部５０２内の低
温液体８０１の液位より低い位置に接触して設置する。
沸騰形熱供給装置１００は、沸騰形熱供給装置１００内
の高温液体３０１の液位が高温熱伝達部５０１内の高温
液体３０１の液位と等しくできる高さに設置する。同様
に、凝縮形放熱装置６００は、凝縮形放熱装置６００内
の低温液体８０１の液位が低温熱伝達部５０２内の低温
液体８０１の液位が等しくできる高さに設置する。

【００１６】本実施例の動作は以下のとおりである。沸
騰形熱供給装置１００は、高温液体３０１を加熱するこ
とにより沸騰させ、高温飽和蒸気３０２とする。高温飽
和蒸気３０２は高温熱媒体循環管路２００を通して高温
熱伝達部５０１に搬送される。高温熱伝達部５０１で
は、高温飽和蒸気３０２の凝縮による潜熱を熱電変換素
子５３０を介して低温熱伝達部５０２に貫流させる。凝
縮によって生じる高温液体３０１は、高温熱媒体循環管
路２００を通して沸騰形熱供給装置１００に環流され
る。低温熱伝達部５０２では貫流された熱により低温液
体８０１を加熱して飽和沸騰させて低温飽和蒸気８０２
とすることにより飽和沸騰熱伝達を行う。低温熱伝達部
５０２で発生した低温飽和蒸気８０２は低温熱媒体循環
管路７００をとおして凝縮形放熱装置６００に環流され
る。凝縮形放熱装置６００では、低温飽和蒸気８０２を
冷却して凝縮させ、低温液体８０１とする。凝縮により
生じた低温液体８０１は低温熱媒体循環管路７００を通
して低温熱伝達部５０２に搬送される。発電部５００で
は、熱電変換素子５３０を介して高温熱伝達部５０１か
ら低温熱伝達部５０２へ熱が環流するため、熱電変換素
子５３０の熱抵抗により、両端に温度差が生じ、電力が
発生する。また、沸騰形熱供給装置１００内の高温液体
３０１の液位と高温熱伝達部５０１の高温液体３０１の
液位を等しくしようとする作用が重力により常に働くた
め、沸騰形熱供給装置１００において高温液体３０１が
沸騰により蒸発して液位が低下した場合、高温熱伝達部
５０１内の高温液体３０１が無動力で沸騰形熱供給装置
１００に環流される。同様に、低温熱伝達部５０２の低
温液体８０１の液位と凝縮形放熱装置６００内の低温液
体８０１の液位を等しくしようとする作用が重力により
常に働くため、低温熱伝達部５０２において低温液体８
０１が沸騰熱伝達により蒸発して液位が低下した場合、
凝縮形放熱装置６００内の低温液体８０１が無動力で低
温熱伝達部５０２に供給される。

【００１７】さらに、高温熱伝達部５０１の高温飽和蒸
気３０２の圧力と沸騰形熱供給装置１００内の高温飽和
蒸気３０２の圧力を等しくしようとする作用が常に働く
ため、高温熱伝達部５０１において高温飽和蒸気３０２
が凝縮して圧力が低下した場合、沸騰形熱供給装置１０
０内の高温飽和蒸気３０２が無動力で高温熱伝達部５０
１に供給される。同様に、凝縮形放熱装置６００内の低
温飽和蒸気８０２の圧力と低温熱伝達部５０２の低温飽
和蒸気８０２の圧力を等しくしようとする作用が常に働
くため、凝縮形放熱装置６００において低温飽和蒸気８
０２が凝縮して圧力が低下した場合、低温熱伝達部５０
２の低温飽和蒸気８０２が無動力で凝縮形放熱装置６０
０に環流される。

【００１８】本実施例において、沸騰形熱供給装置１０
０としては鋳鉄ボイラ、立て型ボイラ、炉筒煙管ボイ
ラ、水筒ボイラ、小形貫流ボイラ等のボイラ、満液式シ
ェルアンドチューブ型蒸発器等の液冷却型蒸発器、クロ
スフィン式フィンアンドチューブ型蒸発器等の気体冷却
型蒸発器等各種蒸発器、およびリン酸型燃料電池等の発
熱装置内の気液分離器等、熱媒体が飽和蒸気相と飽和液
相が同時に封入された圧力装置であれば適用できる。

【００１９】凝縮形放熱装置６００としては立て型凝縮
器、横型凝縮器、二重管凝縮器、大気式ブリーダ型凝縮
器、蒸発式凝縮器、空気式凝縮器等各種凝縮器が適用で
きる。

【００２０】高温熱媒体３００および低温熱媒体８００
としては、トリクロロフルオロメタン、ジクロロフルオ
ロメタン、四フッ化炭素、クロロジフロロメタン等の各
種含ハロゲン化合物、水等気液変態が可能な流体が適用
できる。

【００２１】熱電変換素子５３０としては素子両端に温
度差を与えることにより発電が可能な熱電半導体を用い
た物理電池、あるいは電気化学的温度差電池を使用する
ことができる。

【００２２】このような物理電池として、ビスマス−テ
ルル系、鉛−テルル系、鉄−シリコン系、シリコン−ゲ
ルマニウム系、ビスマス−アンチモン系、ガリウム−リ
ン系のｎ型−ｐ型熱電半導体を電気的に直列接続してユ
ニット化したサーモモジュールが使用可能である。

【００２３】一方、電気化学的温度差電池は、高低温電
極間に酸化還元電位が温度により変化することに起因す
る熱起電力を発現する化学種を配置し、温度差間で発電
する機能を有する熱電変換器であり、フェロシアン／フ
ェリシアンレドックス対、鉄イオンレドックス対、臭素
等の化学種を用いたレドックス電池等および温度差によ
り発電可能なあらゆる発電手段を用いることができる。 （実施例２）本発明の第２の実施例を図２に示す。

【００２４】本実施例では、沸騰形熱供給装置１００が
リン酸形燃料電池１０１、燃料電池冷却水循環管路１０
２、気水分離器１０３で構成される。本実施例では、高
温熱伝達部５０１内で凝縮した高温液体３０１は高温熱
媒体循環管路２００を通して気水分離器１０３に環流さ
れる。気水分離器１０３内の高温液体３０１は燃料電池
冷却水循環管路１０２を通して燃料電池１０１に供給さ
れ、燃料電池１０１の発熱により沸騰させることにより
高温飽和蒸気３０２となり、燃料電池冷却水循環管路１
０２を通して気水分離器１０３に環流される。気水分離
器１０３内の高温飽和蒸気３０２は高温熱媒体循環管路
２００を通して高温熱伝達部５０１に供給される。

【００２５】熱電変換素子５３０としてビスマス−テル
ル系の物理電池を用い、高温熱媒体３００として水を使
用し、燃料電池１０１により１６０℃の飽和水蒸気を発
生させて高温飽和蒸気３０２とした場合の高温熱伝達部
５０１内の隔壁温度と飽和水蒸気入口からの距離の関係
を図３に示す。図３において横軸は隔壁温度、縦軸は高
温熱伝達部５０１の飽和蒸気入口から下方への距離を示
す。図３より、入口からの距離が大きくなるに従って、
隔壁に付着する凝縮水層の厚みが増すために熱伝達率が
低下し、隔壁温度が低下したがその割合は小さく、入口
から２ｍの位置においても温度低下を３℃以下に抑えら
れた。従って、本実施例により、熱媒体の搬送に必要な
動力を用いることなく、高温熱媒体の温度低下が抑制で
きることが確認できた。なお、低温熱媒体としてトリク
ロロフルオロメタンを用いたが、低温熱伝達部５０２内
の状態がプール沸騰であったため、低温熱伝達部５０２
の隔壁の温度は発電部５００の入口からの温度によらず
一定であった。このことからも本実施例の効果が確認で
きた。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、発電
部における高温熱媒体の温度低下および低温熱媒体の温
度上昇を抑制でき、かつ各熱媒体の搬送に必要な動力の
削減が可能であるため、変換効率の高い熱電変換装置を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す構成説明図であ
る。

【図２】本発明の第２の実施例を示す構成説明図であ
る。

【図３】本発明の第２の実施例の効果を説明する特性図
である。

【図４】従来の熱電変換装置を示す構成説明図である。

【図５】従来の熱電変換装置に係る高温熱媒体及び低温
熱媒体の温度分布を示す特性図である。

【符号の説明】

１０…熱供給装置、２０…高温熱媒体循環管路、３０…
高温熱媒体、４０…高温熱媒体循環ポンプ、５０…発電
部、５１…高温熱伝達部、５２…低温熱伝達部、５３…
熱電変換素子、６０…放熱装置、７０…低温熱媒体循環
管路、８０…低温熱媒体、９０…低温熱媒体循環ポン
プ、１００…沸騰形熱供給装置、２００…高温熱媒体循
環管路、３００…高温熱媒体、３０１…高温飽和蒸気、
３０２…高温液体、５００…発電部、５０１…高温熱伝
達部、５０２…低温熱伝達部、５３０…熱電変換素子、
６００…凝縮形放熱装置、７００…低温熱媒体循環管
路、８００…低温熱媒体、８０１…低温液体、８０２…
低温飽和蒸気。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱供給装置と、該熱供給装置により加熱
   された高温熱媒体を循環させる高温熱媒体循環管路と、 放熱装置と、該放熱装置により冷却された低温熱媒体を
   循環させる低温熱媒体循環管路と、 高温熱伝達部と、低温熱伝達部と、該高温熱伝達部と該
   低温熱伝達部の間に接触して設置した熱電変換素子から
   なる発電部で構成される熱電変換装置において、 前記熱供給装置として沸騰形熱供給装置を用いることを
   特徴とする熱電変換装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の熱電変換装置において、
   前記高温熱伝達部での飽和蒸気の高温熱媒体の凝縮によ
   り生じる液体の高温熱媒体の液位と、前記沸騰形熱供給
   装置内の液体の高温熱媒体の液位が等しくなる高さに前
   記沸騰形熱供給装置を設置することを特徴とする熱電変
   換装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の熱電変換装置において、
   前記沸騰形熱供給装置として、燃料電池と、該燃料電池
   で発生した熱を前記液体の高温熱媒体に伝達させる熱交
   換装置を用いることを特徴とする熱電変換装置。
4. 【請求項４】 熱供給装置と、該熱供給装置により加熱
   された高温熱媒体を循環させる高温熱媒体循環管路と、 放熱装置と、該放熱装置により冷却された低温熱媒体を
   循環させる低温熱媒体循環管路と、 高温熱伝達部と、低温熱伝達部と、該高温熱伝達部と該
   低温熱伝達部の間に接触して設置した熱電変換素子から
   なる発電部で構成される熱電変換装置において、 前記放熱装置として凝縮形放熱装置を用いることを特徴
   とする熱電変換装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の熱電変換装置において、
   前記低温熱伝達部に充填された液体の低温熱媒体の液位
   と、前記凝縮形放熱装置内の液体の低温熱媒体の液位が
   等しくなる高さに、前記凝縮形放熱装置を設置すること
   を特徴とする熱電変換装置。