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技術 熱電発電装置及びこれを備えた船舶

出願人 ヤンマー株式会社
発明者 日向亮輔清河勝美廣瀬勝
出願日 2013年3月29日 (6年7ヶ月経過) 出願番号 2013-071080
公開日 2014年10月9日 (5年1ヶ月経過) 公開番号 2014-195379
状態 拒絶査定
技術分野 特殊な電動機、発電機 排気消音装置 熱電素子
主要キーワード ブリッジ体 各開口穴 錐体部 セラミクス板 断面八角形 電力トランスデューサ 断面四角 各排気経路
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (6)

課題

簡単な構造でありながら、発電用エンジン25の廃熱電気エネルギーとして効率よく回収できるようにする。

解決手段

本願発明熱電発電装置30は、排気ガスが流れる配管31と、低温側と高温側との温度差によって発電する平板状の熱電モジュール33を有する複数の熱電ユニット32とを備える。前記各熱電モジュール33の高温側を前記排気ガスで加熱する。前記配管31を断面多角形状に形成する。前記配管31の各平面部41に前記熱電ユニット32群を取り付ける。

概要

背景

従来、例えばタンカー輸送船等の船舶においては、各種補機荷役装置照明、空調その他機器類の消費する電力量が膨大であり、これら電気系統に電力を供給するため、発電用ディーゼルエンジン(以下、発電用エンジンという)と、発電用エンジンの駆動によって発電する発電機とを組み合わせたディーゼル発電機を複数備えている(例えば特許文献1等参照)。船舶の主ディーゼルエンジン(以下、主エンジンという)から放出される廃熱回収して高温高圧蒸気を生成し、当該蒸気を発電用動力源に用いたり、給湯用熱源に用いたりする廃熱回収システムは公知である(例えば特許文献2等参照)。

概要

簡単な構造でありながら、発電用エンジン25の廃熱を電気エネルギーとして効率よく回収できるようにする。本願発明熱電発電装置30は、排気ガスが流れる配管31と、低温側と高温側との温度差によって発電する平板状の熱電モジュール33を有する複数の熱電ユニット32とを備える。前記各熱電モジュール33の高温側を前記排気ガスで加熱する。前記配管31を断面多角形状に形成する。前記配管31の各平面部41に前記熱電ユニット32群を取り付ける。

目的

効果

実績

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請求項1

熱媒体が流れる配管と、低温側と高温側との温度差によって発電する平板状の熱電モジュールを有する複数の熱電ユニットとを備え、前記各熱電モジュールの高温側を前記熱媒体で加熱する熱電発電装置において、前記配管を断面多角形状に形成し、前記配管の各平面部に前記熱電ユニット群を取り付けている、熱電発電装置。

請求項2

前記配管内には、前記各熱電モジュールの高温側に設けた集熱フィンを突出させると共に、前記配管内部の断面積を狭める遮蔽体を前記配管の内周面から適宜離して配置し、前記配管の内周面と前記遮蔽体の外周面との間に前記各集熱フィンを位置させる、請求項1に記載の熱電発電装置。

請求項3

前記配管の前記各平面部の内周面とこれに対峙する前記遮蔽体の外周面とを平行状に設定している、請求項2に記載の熱電発電装置。

請求項4

請求項1〜3のうちいずれかに記載の熱電発電装置を、船体内に搭載した内燃機関排気経路に配置している、船舶

技術分野

0001

本願発明は、熱電発電装置及びこれを備えた船舶に関するものである。

背景技術

0002

従来、例えばタンカー輸送船等の船舶においては、各種補機荷役装置照明、空調その他機器類の消費する電力量が膨大であり、これら電気系統に電力を供給するため、発電用ディーゼルエンジン(以下、発電用エンジンという)と、発電用エンジンの駆動によって発電する発電機とを組み合わせたディーゼル発電機を複数備えている(例えば特許文献1等参照)。船舶の主ディーゼルエンジン(以下、主エンジンという)から放出される廃熱回収して高温高圧蒸気を生成し、当該蒸気を発電用動力源に用いたり、給湯用熱源に用いたりする廃熱回収システムは公知である(例えば特許文献2等参照)。

先行技術

0003

特開2006−341742号公報
特開2007−1339号公報

発明が解決しようとする課題

0004

各種エンジンの廃熱を電気エネルギーとして効率よく回収することは、各種エンジンのエネルギーコストの削減だけでなく、環境負荷の低減といった点からも重要である。しかし、特許文献1及び2に記載の技術では、発電用エンジンからの廃熱を電気エネルギーとして回収することを考慮していない。仮に、主エンジンに対する廃熱回収システムを各発電用エンジンに適用したとしても、廃熱回収システム全体として構造の大型化を招来するばかりか、構造も複雑化して製造工数及び部品点数が増大し、製造コストが嵩むことになると考えられる。

課題を解決するための手段

0005

上記の点を解消する方策として、環境負荷の低いエネルギー変換技術の一つである熱電発電技術を、発電用エンジンに対する廃熱回収システムに適用することが挙げられる。熱電発電技術は、金属又は半導体等からなる熱電モジュールの両端側に温度差を与えて起電力を生じさせるゼーベック効果を利用したものであり、熱エネルギーを直接的に電気エネルギーに変換できる。本願発明者らは、このような熱電発電技術に着目し、更に改良を加えて本願発明を完成させるに至った。

0006

請求項1の発明は熱電発電装置に係るものであり、熱媒体が流れる配管と、低温側と高温側との温度差によって発電する平板状の熱電モジュールを有する複数の熱電ユニットとを備え、前記各熱電モジュールの高温側を前記熱媒体で加熱する熱電発電装置において、前記配管を断面多角形状に形成し、前記配管の各平面部に前記熱電ユニット群を取り付けているというものである。

0007

請求項2の発明は、請求項1に記載の熱電発電装置において、前記配管内には、前記各熱電モジュールの高温側に設けた集熱フィンを突出させると共に、前記配管内部の断面積を狭める遮蔽体を前記配管の内周面から適宜離して配置し、前記配管の内周面と前記遮蔽体の外周面との間に前記各集熱フィンを位置させるというものである。

0008

請求項3の発明は、請求項2に記載の熱電発電装置において、前記配管の前記各平面部の内周面とこれに対峙する前記遮蔽体の外周面とを平行状に設定しているというものである。

0009

請求項4の発明は船舶に係り、請求項1〜3のうちいずれかに記載の熱電発電装置を、船体内に搭載した内燃機関排気経路に配置しているというものである。

発明の効果

0010

本願発明によると、熱媒体が流れる配管と、低温側と高温側との温度差によって発電する平板状の熱電モジュールを有する複数の熱電ユニットとを備え、前記各熱電モジュールの高温側を前記熱媒体で加熱する熱電発電装置において、前記配管を断面多角形状に形成し、前記配管の各平面部に前記熱電ユニット群を取り付けているから、断面多角形状の前記配管の外周面に前記複数の熱電ユニットを密に配置できる。このため、前記熱媒体からの集熱効率を向上でき、ひいては、前記熱電発電装置全体での発電効率を向上できる。

0011

また、請求項2の発明によると、前記配管内には、前記各熱電モジュールの高温側に設けた集熱フィンを突出させると共に、前記配管内部の断面積を狭める遮蔽体を前記配管の内周面から適宜離して配置し、前記配管の内周面と前記遮蔽体の外周面との間に前記各集熱フィンを位置させるから、前記配管の内周面と前記遮蔽体の外周面との間に前記熱媒体を積極的に供給でき、前記熱媒体の熱を効率よく前記各集熱フィンに伝達できる。前記熱媒体から前記各集熱フィンへの集熱効率をより一層向上でき、発電効率向上に貢献する。

0012

請求項3の発明によると、前記配管の前記各平面部の内周面とこれに対峙する前記遮蔽体の外周面とを平行状に設定しているから、前記各熱電ユニットの前記集熱フィンの突出長さを一定に構成した場合に、前記配管の前記各平面部の内周面とこれに対峙する前記遮蔽体の外周面との間で、前記各集熱フィンをできるだけ延ばして密に配置し易い。すなわち、前記各集熱フィンひいては前記各熱電ユニットの構造を共通化でき、前記各熱電ユニットの汎用性向上に貢献する。

図面の簡単な説明

0013

実施形態における船舶の全体側面図である。
図1のII−II視正面断面図である。
排気経路に設けた熱電発電装置を示す概略正面図である。
図3のIV−IV視横断面図である。
図3のV−V視縦断面図である。

実施例

0014

以下に、本願発明を具体化した実施形態を、船舶に搭載される熱電発電装置に適用した場合の図面(図1図5)に基づいて説明する。

0015

図1に示すように、実施形態における船舶1は、船体2と、船体2の船尾側に設けたキャビン3(船橋)と、キャビン3の後方に配置したファンネル4(煙突)と、船体2の後方下部に設けたプロペラ5及び6とを備えている。この場合、船尾側の船底7にスケグ8を一体形成している。スケグ8には、プロペラ5を回転駆動させる推進軸9を軸支している。船体2内の船首側及び中央部には船倉10を設けている。船体2内の船尾側には機関室11を設けている。

0016

機関室11には、プロペラ5の駆動源である主エンジン21(実施形態ではディーゼルエンジン)及び減速機22と、船体2内の電気系統に電力を供給するための発電装置23とを配置している。主エンジン21から減速機22を経由した回転動力によって、プロペラ5が回転駆動する。機関室11の内部は、上甲板13、第2甲板14、第3甲板15及び内底板16によって上下に仕切られている。実施形態では、機関室11最下段の内底板16上に主エンジン21及び減速機22を据え付け、機関室11中段の第3甲板15上に発電装置23を据え付けている。なお、詳細な図示は省略するが、船倉10は複数の区画に分割している。

0017

図2に示すように、発電装置23は、発電用エンジン25(実施形態ではディーゼルエンジン)と、発電用エンジン25の駆動によって発電する発電機26とを組み合わせたディーゼル発電機24を複数台(実施形態では3台)備えたものである。ディーゼル発電機24は基本的に、船体2内の必要電力量に対応して効率的に稼働するように構成している。例えば大量の電力を消費する航行時等には、全てのディーゼル発電機24を稼働させ、比較的電力消費の少ない停泊時等には、任意の台数のディーゼル発電機24を稼働させる。

0018

各発電機26の作動によって生じた発電電力は船体2内の電気系統に供給される。詳細な図示は省略するが、電力トランスデューサが各発電機26に電気的に接続している。電力トランスデューサは各発電機26による発電電力を検出するものである。

0019

各発電用エンジン25には、空気取り込み用の吸気経路(図示省略)と排気ガス排出用の排気経路27とを接続している。吸気経路を通じて取り込まれた空気は、発電用エンジン25の各気筒内(吸気行程の気筒内)に送られる。各気筒の圧縮行程完了時に、燃料タンクから吸い上げた燃料燃料噴射装置によって気筒毎の燃焼室内に圧送し、各燃焼室によって混合気自己着火燃焼に伴う膨張行程が行われる。

0020

各発電用エンジン25の排気経路27は、ファンネル4まで延びていて外部に直接連通している。前述の通り、発電用エンジン25は三基あるため、排気経路27は三本存在する。各排気経路27の下流側には、発電用エンジン25から放出される排気ガス排気音減衰させる消音器28を設けている。各排気経路27の中途部(具体的には消音器28よりも上流側)には、発電用エンジン25からの廃熱(熱媒体である排気ガスの熱)を電気エネルギーに変換する熱電発電装置30を設けている。各発電用エンジン25から放出される排気ガスは、排気経路27、熱電発電装置30及び消音器28を介して船舶1外に放出される。熱電発電装置30は機関室11の上部側に配置している。実施形態では、機関室11上段の第2甲板14上に熱電発電装置30を設置している。

0021

図3図5に示すように、各排気経路27の中途部に設けた熱電発電装置30は、熱媒体としての排気ガスが内部を流れる略筒状の配管31と、低温側と高温側との温度差によって発電する平板状の熱電モジュール33を有する複数の熱電ユニット32とを備えていて、各熱電モジュール33の高温側を排気ガスで加熱するように構成している。熱電発電装置30の配管31を挟んだ両側に、排気経路27を構成する上流側排気管34と下流側排気管35とが振り分けて位置している。上流側排気管34の排気下流側開口端部に、外周方向に突出する上流フランジ36を取り付けている。下流側排気管の排気上流側の開口端部に、外周方向に突出する下流フランジ37を取り付けている。配管31の排気方向両端側の開口端部には、外周方向に突出する連結フランジ38を取り付けている。

0022

上流側排気管34と下流側排気管35との間に配管31を介挿している。ガスケット(図示省略)を介して上流フランジ36と排気上流側の連結フランジ38とを突き合わせ、両フランジ36,38をボルト39及びナット40の複数組締結している。また、ガスケット(図示省略)を介して下流フランジ37と排気下流側の連結フランジ38とを突き合わせ、両フランジ37,38をボルト39及びナット40の複数組で締結している。その結果、上流側排気管34、配管31及び下流側排気管35が着脱可能に連結される。各発電用エンジン25から放出された熱媒体としての排気ガスは、排気経路27において上流側排気管34から熱電発電装置30の配管31を経て下流側排気管35に流れる。

0023

図4に示すように、各熱電発電装置30の配管31は断面多角形状に形成している。実施形態の配管31は、断面四角形状筒体コーナ部を面取りしたような断面八角形状の形態である。換言すると、実施形態の配管31は、広幅の平面部41と面取り部42とを交互に連ねた断面八角形の筒形状になっている。配管31の各平面部41には熱電ユニット32群を取り付けている。

0024

この場合、各平面部41には、板厚方向に貫通する矩形状の開口穴43を、排気方向に長い二列並列マトリクス状に並べて形成している。各平面部41の外面側には、各開口穴43の外周側を取り囲む取付枠44を溶接等によって設けている。実施形態の取付枠44は、周方向に隣り合う二つの開口穴43の外周側を取り囲むように8字形状に形成している。そして、平面部41の各開口穴43を塞ぐように、熱電ユニット32を各取付枠44に装着している。

0025

実施形態では、二列並列の開口穴43を各平面部41に形成し、一つの平面部41に複数の取付枠44を固定している。取付枠44に熱電ユニット32を装着している。従って、四平面に配置された熱電ユニット32によって、熱電発電装置30を構成している。

0026

各熱電ユニット32は、低温側と高温側との温度差によって発電する熱電モジュール33と、低温側部材としての冷却ケース45と、高温側部材としての集熱フィン46とを備えている。

0027

冷却ケース45は内部に冷却水等の冷媒循環させる通路を有している。各熱電ユニットの冷却ケース45は、冷却パイプ(図示省略)を介して例えば各発電用エンジン25の熱交換器に接続している。冷却ケース45内の通路に熱交換器からの冷媒を流通させることによって、冷却ケース45が冷却される。

0028

熱電モジュール33は、例えばBi2Te3等からなるp型とn型との二種類の半導体を電極によって交互に電気的に直列接続し、隣り合う電極間絶縁したものである。各熱電モジュール33は並列又は直列に接続され、そして、電気配線を介して電気的負荷に接続される。熱電モジュール33の広幅一側面を冷却ケース45内の冷媒で冷却し、熱電モジュール33の広幅他側面を排気ガスに接触する集熱フィン46からの熱で加熱することによって、熱電モジュール33に起電力が発生し発電電力が取り出される。

0029

集熱フィン46は、取付枠44における開口穴43との対応箇所に被さる広幅な矩形平板状基台47に多数のフィン部48を突設したものである。実施形態の集熱フィン46は、アルミ合金銅合金又はステンレス鋼等の熱伝導性が良好な金属の他、AlNやSiCといった高熱伝導性セラミクスで形成される。熱電モジュール33と集熱フィン46との間には、必要に応じて矩形平板状の断熱部材49を介在させている。実施形態の断熱部材49は、金属板又はセラミクス板複数枚重ねて形成したものであり、例えば平均して350〜400℃程度の排気ガスが当たる集熱フィン46から熱電モジュール33に伝達される熱を200℃以下に抑制するように構成している。

0030

各熱電ユニット32を配管31に装着する際は、取付枠44を介して各熱電ユニット32の集熱フィン46のフィン部48を開口穴43に挿入して、配管31内に集熱フィン46のフィン部48を突出させる。そして、集熱フィン46の基台47を取付枠44に重ね合わせてボルト締結する。配管31内に排気ガスが流入すると、各集熱フィン46における配管31内のフィン部48に排気ガスが接触して、廃熱(排気ガスの熱)が集熱フィン46で集熱される。各集熱フィン46からの熱移動によって、各熱電モジュール33の広幅他側面(高温側)が加熱される。各冷却ケース45内には冷媒が流入して各熱電モジュール33の広幅一側面(低温側)を冷却する。その結果、各熱電モジュール33の低温側と高温側との間に温度差が生じて、各熱電モジュール33に起電力が発生し発電する。

0031

図4及び図5に示すように、配管31内には、熱媒体である排気ガスを各集熱フィン46側に送り込む熱媒体案内部材としての遮蔽体50を配管31の内周面から適宜離して配置している。実施形態の遮蔽体50は、配管31内部の断面積を狭める役割を担っていて、遮蔽体50の基部を断面四角状に形成している。遮蔽体50基部における四つの平坦部51の外周面は、配管31の四つの平面部41の内周面にそれぞれ対峙している。配管31と遮蔽体50とは、両者31,50間の狭隘通路52内に適宜隔てて配置した複数のブリッジ体53を介して一体的に連設している。すなわち、配管31と遮蔽体50とは二重筒構造になっている。配管31の各平面部41の内周面とこれに対峙する遮蔽体50基部の平坦部51の外周面とは排気方向に沿って平行状に並んでいる。配管31の各平面部41の内周面とこれに対峙する遮蔽体50基部の平坦部51の外周面との間に、各集熱フィン46のフィン部48を位置させている。

0032

この場合、配管31の各平面部41の内周面とこれに対峙する遮蔽体50基部の平坦部51の外周面とを排気方向に沿って平行状に並べているため、各熱電ユニット32の集熱フィン46の突出長さを一定にする場合に、配管31の各平面部41の内周面とこれに対峙する遮蔽体50基部の平坦部51の外周面との間で各集熱フィン46のフィン部48をできるだけ延ばして密に配置し易い。換言すると、各集熱フィン46ひいては各熱電ユニット32の構造を簡単に共通化できる。なお、遮蔽体50の断面形状は配管31の断面形状に対応させるのが好ましい。配管31の各平面部41の内周面とこれに対峙する遮蔽体50基部の平坦部51の外周面とを排気方向に沿って平行状に設定し易いからである。

0033

遮蔽体50の排気上流側は、上流先端部に近付くに連れて先窄まり状の錐体部54になっている。実施形態の遮蔽体50の錐体部54は、基部が断面四角形状であるため、四角錐状である。配管31内に単に遮蔽体50を配置しただけでは、排気ガスの流れ抵抗が増加するが、遮蔽体50の排気上流側に錐体部54を形成しているため、錐体部54によって配管31と遮蔽体50との間の狭隘通路52に排気ガスをスムーズに案内でき、遮蔽体50による排気ガスの流れ抵抗の増加が抑制される。錐体部54の形状は遮蔽体50の断面形状に対応させれば足りる。つまり、錐体部54は四角錐状に限らず、その他多角錐状でも構わない。なお、遮蔽体50の排気上流側は錐体部54に構成するに限らず、狭隘通路52に排気ガスをスムーズに案内できるものであれば、静翼可動翼を設けてもよいし、螺旋形状のスクリュー体を設けてもよい。

0034

以上の説明から明らかなように、実施形態では、排気ガスが流れる配管31と、低温側と高温側との温度差によって発電する平板状の熱電モジュール33を有する複数の熱電ユニット32とを備え、前記各熱電モジュール33の高温側を前記排気ガスで加熱する熱電発電装置30において、前記配管31を断面多角形状に形成し、前記配管31の各平面部41に前記熱電ユニット32群を取り付けているから、断面多角形状の前記配管31の外周面に前記複数の熱電ユニット32を密に配置できる。このため、前記排気ガスからの集熱効率を向上でき、ひいては、前記熱電発電装置30全体での発電効率を向上できる。

0035

また、前記配管31内には、前記各熱電モジュール33の高温側に設けた集熱フィン46を突出させると共に、前記排気ガスを前記各集熱フィン46側に送り込む熱媒体案内部材としての遮蔽体50を配置しているから、前記遮蔽体50の存在によって、前記各集熱フィン46側に前記排気ガスを積極的に供給でき、前記排気ガスの熱(廃熱)を効率よく前記各集熱フィン46に伝達できる。前記排気ガスから前記各集熱フィン46への集熱効率が高く、発電効率を向上できる。

0036

また、前記配管31内には、前記各熱電モジュール33の高温側に設けた集熱フィン46を突出させると共に、前記配管31内部の断面積を狭める遮蔽体50を前記配管31の内周面から適宜離して配置し、前記配管31の内周面と前記遮蔽体50の外周面との間に前記各集熱フィン46を位置させるから、前記配管31の内周面と前記遮蔽体50の外周面との間に前記排気ガスを積極的に送ることになり、簡単な構成でコスト抑制を可能でありながら、前記排気ガスから前記各集熱フィン46への集熱効率をより一層向上でき、発電効率向上に貢献する。

0037

その上、前記配管31の前記各平面部41の内周面とこれに対峙する前記遮蔽体50の外周面とを平行状に設定しているから、前記各熱電ユニット32の前記集熱フィン46の突出長さを一定にする場合に、前記配管31の前記各平面部41の内周面とこれに対峙する前記遮蔽体50の外周面との間で、前記各集熱フィン46をできるだけ延ばして密に配置し易い。すなわち、前記各集熱フィン46ひいては前記各熱電ユニット32の構造を共通化でき、前記各熱電ユニット32の汎用性向上に貢献する。

0038

しかも、前記遮蔽体50の上流側を上流先端部に近付くに連れて先窄まり状の錐体部54に形成しているから、前記錐体部54によって前記配管31と前記遮蔽体50との間の狭隘通路52に前記排気ガスをスムーズに案内でき、前記遮蔽体50による前記排気ガスの流れ抵抗の増加を抑制できる。

0039

その他、各部の構成は図示の実施形態に限定されるものではなく、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。例えば本願の熱電発電装置30を主エンジン21の排気経路に配置してもよい。

0040

1船舶
2船体
4ファンネル
11機関室
21主エンジン
23発電装置
24ディーゼル発電機
25発電用エンジン
27排気経路
30熱電発電装置
31配管
32熱電ユニット
33熱電モジュール
41平面部
43開口穴
45冷却ケース
46集熱フィン
48フィン部
49断熱部材
50遮蔽体
51平坦部
54 錐体部

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