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技術 配管への熱電発電素子の設置方法および熱電発電装置

出願人 高砂熱学工業株式会社
発明者 山田哲司入部真武岡本英之米澤仁
出願日 2013年6月20日 (5年8ヶ月経過) 出願番号 2013-129932
公開日 2015年1月8日 (4年1ヶ月経過) 公開番号 2015-005615
状態 特許登録済
技術分野 熱電素子 特殊な電動機、発電機
主要キーワード 限界表面 本発明治具 取付配管 配管周囲 配管表面温度 設置期間 冷水系統 空調用配管
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

結露を発生させずに熱電発電素子配管に装着でき、しかも、熱電発電素子が耐熱温度範囲外となることを回避できるようにする。

解決手段

配管2の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材質からなる治具3を配管2の表面に装着し、治具2を介して熱電発電素子4を配管2の表面に取り付けることにより、配管2の表面の熱を治具3を介して熱電発電素子4に伝導させる。熱電発電素子4と配管2との間に治具3を介在させることにより、配管2から熱電発電素子4に伝導する熱量を調整し、熱電発電素子4が耐熱温度範囲外となることを回避する。治具3の材質、枚数、厚みのいずれかを変えることによって、熱電発電素子4に伝導させる熱量を調整することができる。

概要

背景

熱電発電素子は、ゼーベック効果を利用した発電素子で、熱電発電素子の表裏に温度差をつけるだけで容易に電力を得ることができる。ここで、熱電発電素子により得られる電力(発電量)は温度差の2乗に比例するため、多くの発電量を確保するためには素子表裏の温度差を大きくすることが重要となる。

空調用配管は、内部に冷水温水蒸気など、配管周囲空気温度(例えば機械室屋外天井裏等の空間の気温、以降、周囲温度と記載)と異なる温度の熱媒が流れている。これらの熱媒が流れている配管には、配管用炭素鋼管ステンレス管などが用いられている。これらの配管材熱伝導率は、配管周囲の空気の熱伝導率よりはるかに大きいため、配管表面温度は配管内を流れる熱媒に近い温度となる。結果として配管表面と周囲の空気には温度差が発生しやすくなる。そこで、配管表面に熱電発電素子を設置することで、配管表面温度と周囲温度の温度差から発電を行うことができる。例えば特許文献1には、給湯管温度センサーとして熱電素子を設けて、温度差に比例して発生する電力の変化を検出することが開示されている。

一方、空調用配管は円筒形状であるのが一般的であり、その表面形状は曲面となる。それに対し熱電発電素子は平板状である場合が多く、配管表面に沿って自由に曲げることができないと、熱電発電素子を安定して配管表面に固定することができず、作業者ごとに取り付け誤差が発生しやすくなる。そこで、例えば特許文献2には、放熱部を伸縮させ、曲面を有する部位に装着できるようにした素子が開示されている。

通常、空調用配管には結露防止エネルギーロスの低減のため、グラスウールロックウールなどの保温材が巻かれている。保温材は、内部に多数の空気層が形成されるため、配管の熱伝導率よりはるかに小さく、配管表面温度を保温材外面に伝えにくい。そのため、保温材の表面温度は周囲温度に近い温度となり、保温材表面に熱電発電素子を設置した場合、十分な温度差が得られず発電量が少なくなる。熱電発電素子を保温材の内部に埋め込むことも考えられるが、この場合、保温材の効果により配管とは逆側の面も含めて素子全体の温度が配管表面温度に近い温度で均一化するため、結果として十分な温度差は得られなくなる。また、保温材を除去して配管表面に直接熱電発電素子を設置することも考えられるが、配管内を流れる熱媒が周囲温度より低温である場合(例えば、冷水、ブラインなど)、発電素子やヒートシンクの温度が周囲温度の露点温度以下になる可能性があり、配管表面や熱電発電素子の表面で結露が発生し、熱電発電素子の故障の原因にもつながることが懸念される。

そのため、例えば特許文献3には、素子を枠体封入した構成が開示されている。この特許文献3の発明では、外部から侵入しようとする水分を撥水性シール材層で阻止し、さらに水蒸気を水蒸気遮断シール材層で阻止することにより、枠体の内部で高い防湿効果を得ようとしている。

概要

結露を発生させずに熱電発電素子に配管に装着でき、しかも、熱電発電素子が耐熱温度範囲外となることを回避できるようにする。配管2の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材質からなる治具3を配管2の表面に装着し、治具2を介して熱電発電素子4を配管2の表面に取り付けることにより、配管2の表面の熱を治具3を介して熱電発電素子4に伝導させる。熱電発電素子4と配管2との間に治具3を介在させることにより、配管2から熱電発電素子4に伝導する熱量を調整し、熱電発電素子4が耐熱温度範囲外となることを回避する。治具3の材質、枚数、厚みのいずれかを変えることによって、熱電発電素子4に伝導させる熱量を調整することができる。

目的

本発明の目的は、結露を発生させずに熱電発電素子を配管に装着でき、しかも、熱電発電素子が耐熱温度範囲外となることを回避できるようにすることにある

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

配管の表面に熱電発電素子を設置する方法であって、前記配管の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材質からなる治具を、前記配管の表面に装着し、前記治具を介して、前記熱電発電素子を前記配管の表面に取り付けることにより、前記配管の表面の熱を、前記治具を介して前記熱電発電素子に伝導させることを特徴とする、配管への熱電発電素子の設置方法

請求項2

前記治具の材質、枚数、厚みのいずれかを変えることによって、前記熱電発電素子に伝導させる熱量が調整されることを特徴とする、請求項1に記載の配管への熱電発電素子の設置方法。

請求項3

配管の表面に設置される熱電発電装置であって、前記配管の表面に装着される、前記配管の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材質からなる治具と、前記治具を介して前記配管の表面に取り付けられる熱電発電素子を有することを特徴とする、熱電発電装置。

請求項4

前記熱電発電素子を可撓性部材に支持し、前記治具を介して前記配管の表面に前記可撓性部材を巻き付けることにより、前記熱電発電素子を取り付けることを特徴とする、請求項3に記載の熱電発電装置。

請求項5

前記治具の材質、枚数、厚みのいずれかを変えることによって、前記熱電発電素子に伝導させる熱量が調整されることを特徴とする、請求項3または4に記載の熱電発電装置。

技術分野

0001

本発明は、配管の表面に熱電発電素子を設置する方法に関し、さらに、該方法に用いられる熱電発電装置に関する。

背景技術

0002

熱電発電素子は、ゼーベック効果を利用した発電素子で、熱電発電素子の表裏に温度差をつけるだけで容易に電力を得ることができる。ここで、熱電発電素子により得られる電力(発電量)は温度差の2乗に比例するため、多くの発電量を確保するためには素子表裏の温度差を大きくすることが重要となる。

0003

空調用配管は、内部に冷水温水蒸気など、配管周囲空気温度(例えば機械室屋外天井裏等の空間の気温、以降、周囲温度と記載)と異なる温度の熱媒が流れている。これらの熱媒が流れている配管には、配管用炭素鋼管ステンレス管などが用いられている。これらの配管材熱伝導率は、配管周囲の空気の熱伝導率よりはるかに大きいため、配管表面温度は配管内を流れる熱媒に近い温度となる。結果として配管表面と周囲の空気には温度差が発生しやすくなる。そこで、配管表面に熱電発電素子を設置することで、配管表面温度と周囲温度の温度差から発電を行うことができる。例えば特許文献1には、給湯管温度センサーとして熱電素子を設けて、温度差に比例して発生する電力の変化を検出することが開示されている。

0004

一方、空調用配管は円筒形状であるのが一般的であり、その表面形状は曲面となる。それに対し熱電発電素子は平板状である場合が多く、配管表面に沿って自由に曲げることができないと、熱電発電素子を安定して配管表面に固定することができず、作業者ごとに取り付け誤差が発生しやすくなる。そこで、例えば特許文献2には、放熱部を伸縮させ、曲面を有する部位に装着できるようにした素子が開示されている。

0005

通常、空調用配管には結露防止エネルギーロスの低減のため、グラスウールロックウールなどの保温材が巻かれている。保温材は、内部に多数の空気層が形成されるため、配管の熱伝導率よりはるかに小さく、配管表面温度を保温材外面に伝えにくい。そのため、保温材の表面温度は周囲温度に近い温度となり、保温材表面に熱電発電素子を設置した場合、十分な温度差が得られず発電量が少なくなる。熱電発電素子を保温材の内部に埋め込むことも考えられるが、この場合、保温材の効果により配管とは逆側の面も含めて素子全体の温度が配管表面温度に近い温度で均一化するため、結果として十分な温度差は得られなくなる。また、保温材を除去して配管表面に直接熱電発電素子を設置することも考えられるが、配管内を流れる熱媒が周囲温度より低温である場合(例えば、冷水、ブラインなど)、発電素子やヒートシンクの温度が周囲温度の露点温度以下になる可能性があり、配管表面や熱電発電素子の表面で結露が発生し、熱電発電素子の故障の原因にもつながることが懸念される。

0006

そのため、例えば特許文献3には、素子を枠体封入した構成が開示されている。この特許文献3の発明では、外部から侵入しようとする水分を撥水性シール材層で阻止し、さらに水蒸気を水蒸気遮断シール材層で阻止することにより、枠体の内部で高い防湿効果を得ようとしている。

先行技術

0007

特開2006−10180号公報
特開平11−87786号公報
特開2010−226103号公報

発明が解決しようとする課題

0008

特許文献3の発明のように、結露した水分の内部への侵入を完全に阻止するためには、シール構造が複雑になり、熱電発電素子のコストを高騰させてしまう問題がある。また、空調配管の内部を流れる熱媒の温度が熱電発電素子の耐熱温度より高温(蒸気など)である場合やブラインなどのマイナス温度の熱媒の時は、熱電発電素子の温度が耐熱温度範囲外となってしまい、これらも故障の原因となる。

0009

本発明の目的は、結露を発生させずに熱電発電素子を配管に装着でき、しかも、熱電発電素子が耐熱温度範囲外となることを回避できるようにすることにある。

課題を解決するための手段

0010

本発明によれば、配管の表面に熱電発電素子を設置する方法であって、前記配管の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材質からなる治具を、前記配管の表面に装着し、前記治具を介して、前記熱電発電素子を前記配管の表面に取り付けることにより、前記配管の表面の熱を、前記治具を介して前記熱電発電素子に伝導させることを特徴とする、配管への熱電発電素子の設置方法が提供される。

0011

また、本発明によれば、配管の表面に設置される熱電発電装置であって、前記配管の表面に装着される、前記配管の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材質からなる治具と、前記治具を介して前記配管の表面に取り付けられる熱電発電素子を有することを特徴とする、熱電発電装置が提供される。この熱電発電装置において、前記熱電発電素子を可撓性部材に支持し、前記治具を介して前記配管の表面に前記可撓性部材を巻き付けることにより、前記熱電発電素子を取り付けるようにしても良い。

0012

本発明にあっては、熱電発電素子と配管との間に治具を介在させることにより、配管から熱電発電素子に伝導する熱量を調整し、熱電発電素子が耐熱温度範囲外となることを回避する。この場合、前記治具の材質、枚数、厚みのいずれかを変えることによって、前記熱電発電素子に伝導させる熱量を調整することができる。

発明の効果

0013

本発明によれば、配管の表面の熱を治具を介して前記熱電発電素子に伝導させることにより、配管から熱電発電素子に伝導する熱量を調整し、結露の発生を防止することが可能となる。また、配管の内部を流れる熱媒の温度が熱電発電素子の耐熱温度より高温(蒸気など)である場合やブラインなどのマイナス温度の熱媒の場合でも、熱電発電素子の温度が耐熱温度範囲外の温度になってしまうことを回避でき、熱電発電素子の故障を防止できる。また、治具を介在させることにより、熱電発電素子の耐熱温度範囲外での使用が可能となる。

図面の簡単な説明

0014

本発明の実施の形態にかかる熱電発電装置の説明図である。
治具の枚数を変えることによって、熱電発電素子に伝導させる熱量が調整される、本発明の実施の形態に係る熱電発電装置の説明図である。
治具の厚みを変えることによって、熱電発電素子に伝導させる熱量が調整される、本発明の実施の形態に係る熱電発電装置の説明図である。
可撓性部材に支持された熱電発電素子の平面図である。
可撓性部材に支持された熱電発電素子の側面図である。
図5、6に示す熱電発電素子を配管に取り付けた状態を示す、本発明の別の実施の形態に係る熱電発電装置の説明図である。

0015

以下、本発明の実施の形態にかかる熱電発電装置1を図面を参照にして説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

0016

図1に示すように、本発明の実施の形態にかかる熱電発電装置1は、配管2の外表面に装着される治具3と、治具3を介して配管2の外表面に取り付けられる熱電発電素子4を有している。配管2は例えば空調用配管であり、配管用炭素鋼管やステンレス管などといった中空円管が用いられる。配管2の内部には、冷水や温水、蒸気などといった、配管2の周囲の空気温度(以降、周囲温度と記載)と異なる温度の熱媒が流れている。このため、配管2の表面温度は配管2内を流れる熱媒に近い温度をとなる。結果として配管2の表面と周囲の空気には温度差が発生している。

0017

治具3は、熱伝導を制御する治具本体10の下面に、配管側支持部11を配置し、上面に熱電発電素子4を配置した構成を有している。治具本体10は、均一な熱抵抗を持っており、熱伝導率が配管2または配管支持部11より低く、配管2内部を流れる流体の熱により変形や変質を起こさず、かつ、多少の圧力では変形を起こさない材質あるいは使用時において用法に従う取扱いによっては変形しない(例えば人の片手の力によっては変形しない)厚みや構造であることが望ましく、例えば、材質は硬質ウレタンシリコンアルミ、銅、鉄などからなる。配管側支持部11は、配管2の表面の熱を治具本体10に伝え、かつ、治具本体10から熱電発電素子4へ熱を伝えることができるように、優れた熱伝導性を有する材料からなる。また、配管側支持部11の内面(配管2に対向する面)は、曲面である配管2の外表面に密着できるように湾曲面になっている。なお、設計時に結露防止しかつ耐熱温度範囲内となるように治具本体10の厚み(枚数、材質)を算出して設置しても、変形を起こすと治具本体10自体の熱抵抗が変化してしまい、当初の計算通りとはならずに十分な温度差が得られなかったり、あるいは結露が発生したり耐熱温度範囲外となる恐れがある。即ち、設置したときの形を維持できることが望ましい。

0018

熱電発電素子4は、ゼーベック効果を利用して発電を行う素子本体12と、素子本体12の外面に取り付けられた放熱板15と、放熱板15の外面に取り付けられた複数の放熱フィン16を有している。熱電発電素子4では、素子本体12の内面(治具3に対向する面)に、配管2の表面の熱が治具3を介して伝導され、一方で、素子本体12の外面では放熱板15および放熱フィン16による放熱が行われる。

0019

このように構成された熱電発電装置1において、上述のように、熱電発電素子4の素子本体12の内面には配管2の表面の熱が治具3を介して伝導され、一方で、素子本体12の外面では放熱板15および放熱フィン16による放熱が行われる。こうして、熱電発電素子4(素子本体12)の表裏に温度差が形成されて、発電が行われる。

0020

ここで、本発明の実施の形態にかかる熱電発電装置1にあっては、熱電発電素子4と配管2との間に配管2の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材質からなる治具3が介在していることにより、配管2から熱電発電素子4に伝導される熱量が治具3によって低減される。こうして熱量が調整されることにより、熱電発電素子4における結露の発生を防止することが可能となる。また、配管2の内部を流れる熱媒の温度が熱電発電素子4の耐熱温度より高温(蒸気など)である場合やブラインなどのマイナス温度の熱媒の場合でも、熱電発電素子4の温度が耐熱温度範囲外の温度になってしまうことを回避でき、熱電発電素子4の故障を防止できる。また、治具3が介在していることにより、熱電発電素子4の耐熱温度範囲外での使用も可能となる。

0021

ここで、例えば空調用配管は、配管系統冷水系統、ブライン系統、往配管、還配管など)や負荷側での消費熱量、さらには冷凍機設定温度により配管2内の熱媒温度が変化する。そのため、一定の熱抵抗を持った治具3を用いたのでは、所定の条件では、耐熱温度範囲外の温度になってしまうことの回避や結露防止をしつつ、熱電発電素子4の表裏での温度差も大きくとることが可能となる反面、異なる条件の配管2では、熱抵抗が足りずに熱電発電素子4にて結露等が発生する、もしくは熱抵抗が大きすぎるために熱電発電素子4の表裏で温度差が小さくなり、結果として発電量が減少する、といった不具合が生じることになる。

0022

そこで、本発明では、治具3の材質、枚数、厚みのいずれかを変えることによって、熱電発電素子4に伝導させる熱量を調整し、異なる条件の配管2についても、結露等を回避しつつ、熱電発電素子4の表裏での温度差も大きくとることを可能にする。次に、治具3の材質、枚数、厚みを変える場合を、それぞれ分けて説明する。

0023

1.配管2の表面温度に合わせ、治具3の材質を変化させる。すなわち、配管2内を流れる熱媒の温度や周囲の温湿度(露点温度)、熱電発電素子4の耐熱温度によって治具3の材質を決定する。この決定は、後述のように本発明治具初期設置前の設定時点でもよいし、設置後(運用後)の環境変化に対応する改修等の時点でもよい。
(1) 配管2の表面温度が設置期間中において常時、周囲温度の露点温度以上で、かつ、熱電発電素子4の耐熱温度範囲内である場合は、治具3全体の熱伝導率を高くして、配管2の表面から熱電発電素子4に効率よく伝導させる。この場合、例えば、治具本体10の材質に熱伝導率の高い材料(アルミ、銅、鉄など)を使用するか、もしくは、治具本体10を省略し、配管2の表面の熱を配管側支持部11を介して熱電発電素子4に直接伝導させる。
(2) 次に、設置期間中において、配管2の表面温度が周囲温度の露点温度に対しわずかに低い温度、もしくは、熱電発電素子4の耐熱温度範囲に対してわずかに外れる温度となることがある場合は、治具3全体の熱伝導率を比較的低くして、配管2の表面から熱電発電素子4に伝導する熱量を低減させる。この場合、例えば、治具本体10の材質に熱伝導率の比較的低い材料(シリコンなど)を使用する。
(3) さらに、設置期間中において、配管2の表面温度が周囲温度の露点温度に対し極めて低い温度、もしくは、熱電発電素子4の耐熱温度範囲に対して極めて高い(低い)温度となることがある場合は、治具3全体の熱伝導率を相当に低くして、配管2の表面から熱電発電素子4に伝導する熱量をさらに低減させる。この場合、例えば、治具本体10の材質に熱伝導率の相当に低い材料(硬質ウレタン、グラスウール板ロックウール板海綿状のものなど)を使用する。

0024

2.配管2の表面温度に合わせ、治具3の枚数を変化させる。すなわち、図2に示すように、配管側支持部11と素子本体12の間に配置される治具本体10を、複数枚の治具本体部分10aに分割し、配管2内を流れる熱媒の温度や周囲の温湿度(露点温度)、熱電発電素子4の耐熱温度によって、使用する治具本体部分10aの枚数を決定する。
(1) 配管2の表面温度が周囲温度の露点温度以上、もしくは、熱電発電素子4の耐熱温度範囲内である場合は、治具3全体の熱伝導率を高くして、配管2の表面から熱電発電素子4に効率よく伝導させる。この場合、治具本体10に用いる治具本体部分10aを最小枚数(例えば1枚)とするか、もしくは、治具本体10を省略し(治具本体部分10aを0枚とし)、配管2の表面の熱を配管側支持部11を介して熱電発電素子4に直接伝導させる。
(2) 次に、配管2の表面温度が周囲温度の露点温度に対しわずかに低い温度、もしくは、熱電発電素子4の耐熱温度範囲に対してわずかに外れる温度である場合は、治具3全体の熱伝導率を比較的低くして、配管2の表面から熱電発電素子4に熱量を低減させる。この場合、例えば、治具本体10に用いる治具本体部分10aの枚数を例えば2〜4枚程度として、配管2の表面から熱電発電素子4に伝導する熱量を低減させる。
(3) さらに、配管2の表面温度が周囲温度の露点温度に対し極めて低い温度、もしくは、熱電発電素子4の耐熱温度範囲に対して極めて高い(低い)温度である場合は、治具3全体の熱伝導率を相当に低くして、配管2の表面から熱電発電素子4に伝導する熱量をさらに低減させる。この場合、治具本体10に用いる治具本体部分10aの枚数をさらに増やして、配管2の表面から熱電発電素子4に伝導する熱量をさらに低減させる。
このように、治具本体部分10aを予め何枚か用意しておき、熱媒の温度に合わせて適当な枚数の治具本体部分10aを重ね合わせることで、配管2の表面から熱電発電素子4までの間の熱抵抗を調整する方法である。この方法によれば、取付配管の熱媒温度が想定していた温度と異なるような場合でも、容易に現地にて調整しやすくなるといった利点もある。

0025

3.配管2の表面温度に合わせ、治具3の厚みを変化させる。すなわち、図3(a)、(b)に示すように、配管側支持部11と素子本体12の間に配置される治具本体10の厚みを、配管2内を流れる熱媒の温度や周囲の温湿度(露点温度)、熱電発電素子4の耐熱温度によって決定する。
(1) 例えば、配管2内を流れる熱媒が冷水や高温水など、配管2の表面温度が周囲温度の露点温度以上か、露点温度に対しわずかに低い程度であり、もしくは、熱電発電素子4の耐熱温度範囲内か、耐熱温度範囲に対してわずかに外れる程度である場合は、図3(a)に示すように、治具本体10を厚みを薄くして治具3全体の熱伝導率を高くし、配管2の表面から熱電発電素子4に熱量を効率よく伝導させる。
(2) 一方、例えば、配管2内を流れる熱媒がブラインや蒸気など、配管2の表面温度が周囲温度の露点温度に対し極めて低い温度、もしくは、熱電発電素子4の耐熱温度範囲に対して極めて高い(低い)温度である場合は、図3(b)に示すように、治具本体10を厚みを厚くして治具3全体の熱伝導率を低くし、配管2の表面から熱電発電素子4に伝導する熱量を低減させる。
この方法は、予め治具本体10の厚みが異なる数種類の治具3を用意しておき、熱媒の温度に合わせて使用する治具3を選択する方法である。各治具3における治具本体10の厚みは、配管2内の熱媒温度(配管系統や水温の設定温度など)と周囲温度の露点温度、熱電発電素子4の耐熱温度、熱電発電素子4自体の熱抵抗、などの関係に基づいて決定し、条件が厳しいほど治具本体10の厚みがある治具3を使用する。

0026

このように、治具3の材質、枚数、厚みのいずれかを変えることによって、熱電発電素子4に伝導させる熱量を調整することにより、結露の発生や熱電発電素子4が耐熱温度範囲外となることを回避しつつ、熱電発電素子4の表裏での温度差も大きくして、効率の良い発電を行うことが可能となる。また、治具3を介在させたことにより、熱電発電素子4の耐熱温度範囲外での使用が可能となる。例えば特許第4949081号に記載された温度計に必要な電力をまかなうことができ、電源不要の計測ステム構築することができるようになる。
なお、熱電発電素子4を設置する期間における配管2内の流体温度(配管2の表面温度)と周囲露点温度とを予測しておき、予測されたあらゆる温度条件下で、熱電発電素子4が耐熱温度範囲内となり、かつ、結露が発生しないように、治具本体10の材質、枚数、厚みを予め設定することもできる。また、夏期期の運転切替時や、負荷側の消費熱量が変わる場合(レイアウト変更等)など、設置個所における配管2内の流体温度が当初設計時から変化する場合には、配管2内の流体温度(配管2の表面温度)と周囲露点温度の予測値を見直して、治具本体10の材質、枚数、厚みを再度設定し変更することもできる。

0027

次に、本発明の別の実施の形態にかかる熱電発電装置1’について説明する。図4、5に示すように、この熱電発電装置1’では、熱電発電素子4が可撓性部材20に一体的に支持されている。可撓性部材20は、断熱性、可撓性、弾性を有する材質や厚み(例えばシリコンゴムなどのゴム材)からなる帯状の可撓性部材本体21の両端に、適当な硬さを有する素材(例えばアクリル板など)からなる支持部22を接着剤などにより固定し、支持部22にフックなどの係止具23を取り付けた構成である。可撓性部材本体21の中央には、熱電発電素子4の素子本体15と同サイズの穴が開いており、その穴に熱電発電素子4の素子本体15が嵌め込まれることにより、熱電発電素子4は可撓性部材20に一体的に支持されている。なお、熱電発電素子4の複数の放熱フィン16は、可撓性部材20の外側に突出した状態になっている。

0028

可撓性部材本体21の熱抵抗は、熱電発電素子4の素子本体15の熱抵抗よりも大きい(熱電発電素子4の素子本体15よりも可撓性部材本体21の断熱性が高い)ことが望ましい。可撓性部材本体21の熱抵抗が、熱電発電素子4の素子本体15の熱抵抗よりも大きければ、可撓性部材本体21自体の表面においても、結露等を防止できるからである。また、素子本体12の側面と接する可撓性部材本体21の高さ(厚さ)は、熱電発電素子4の素子本体15の高さ(厚さ)と同等であることが望ましい。可撓性部材本体21の高さが素子本体15の高さよりも低いと、素子本体15の側面が可撓性部材本体21からはみ出て露出してしまい、素子本体15の側面から周囲温度の影響を受け、得られる温度差が小さくなってしまう。逆に、可撓性部材本体21の高さが素子本体15の高さよりも高いと、素子本体15が可撓性部材本体21に埋没してしまい、凹んだ部分に空気が滞留し放熱が十分にできなくなるため、その場合も素子本体15の表裏で温度差を得難くなる。

0029

この実施の形態にかかる熱電発電装置1’では、図6に示すように、配管2の外表面に治具3を密着させて装着し、さらに治具3の外側から可撓性部材20を巻き付ける。こうして、可撓性部材20に一体的に支持されている熱電発電素子4を、治具3を介して配管2の表面に取り付ける。この場合、図6に示すように、可撓性部材本体21の両端(支持部22)を引っ張り、治具3を介して可撓性部材本体21を配管2の表面に覆い被せる。そして、支持部22に取り付けられた係止具23同士を、例えばチェーン25等を用いて連結する。これにより、可撓性部材20に一体的に支持されている熱電発電素子4を治具3の外側に密着させて、治具3を介して配管2の表面に熱電発電素子4をしっかりと取り付けることができる。なお、例えばチェーン25等にバネなどを介在させ、バネなどの力によって熱電発電素子4を配管2側(治具3)に確実に密着させることもできる。この場合、バネなどの張力を利用することができるため、可撓性部材20は断熱性と可撓性があればよく、弾性は備えていなくてもよい。なお、係止具23がアクリル板などの硬い素材からなる支持部22で固定されているので、係止具23同士をチェーン25等で連結する際、係止具23で引っ張られる力を支持部22を介して可撓性部材本体21全体に均等に伝えることができる。(支持部22がないと、係止具23がある部分だけで可撓性部材本体21が強く引っ張られる形となり、局所的に大きな負荷がかかり可撓性部材本体21が切れてしまう可能性がある。また、熱電発電素子4にも均等に力が加わりにくくなり、取り付け誤差が発生する原因となる。)

0030

また、この実施の形態にかかる熱電発電装置1’においても、熱電発電素子4と配管2との間に治具3が介在していることにより、配管2から熱電発電素子4に伝導される熱量が治具3によって調整され、熱電発電素子4における結露の発生を防止することが可能となる。また、配管2の内部を流れる熱媒の温度が熱電発電素子4の耐熱温度より高温(蒸気など)である場合やブラインなどのマイナス温度の熱媒の場合でも、熱電発電素子4の温度が耐熱温度範囲外の温度になってしまうことを回避でき、熱電発電素子4の故障を防止できる。また、治具3が介在していることにより、熱電発電素子4の耐熱温度範囲外での使用も可能となる。

0031

なお、この実施の形態にかかる熱電発電装置1’においても、同様に、治具3(治具本体10)の材質、枚数、厚みのいずれかを変えることによって、熱電発電素子4に伝導させる熱量を調整することができ、異なる条件の配管2についても、結露等を回避しつつ、熱電発電素子4の表裏での温度差も大きくとることが可能となる。また、治具3を介在させたことにより、熱電発電素子4の耐熱温度範囲外での使用が可能となる。例えば特許第4949081号に記載された温度計に必要な電力をまかなうことができ、電源不要の計測システムを構築することができるようになる。

0032

以上、本発明の実施の形態の一例について説明したが、本発明はここに示した形態に限定されない。例えば、配管2と治具3との間や、治具3と熱電発電素子4との間には熱伝導性の高いグリス等を塗布し、空気層の発生を排除することが望ましい。

0033

また、通常、周囲温度より低い温度の熱媒が流れる配管2には保温材が被覆施工されている。図1〜3で説明した熱電発電装置1を既設の配管に装着する場合、保温材の一部を切り取って、治具3と熱電発電素子4の素子本体15を丁度挿入できる大きさの開口部を形成し、当該開口部に治具3と熱電発電素子4の素子本体15を挿入して配管2に熱電発電装置1を装着すると良い。その場合、熱電発電素子4の放熱フィン16は、保温材よりも外側に突出させる。

0034

また、図4〜6で説明した熱電発電装置1’を装着する場合、保温材の一部を切り取って、治具3と可撓性部材20を丁度挿入できる大きさの開口部を形成し、当該開口部に治具3と可撓性部材20を挿入して配管2に熱電発電装置1’を装着すると良い。その場合、(新設の場合にも同様であるが)可撓性部材20と保温材との継ぎ目は、保温材を可撓性部材20の周縁部に重ねるように施工することで、切れ目における結露も防止することができる。

0035

熱電発電素子を取付ける配管が設置された空間(例えば機械室内)の条件として、温度:30℃、湿度:50%と設定した場合、結露が発生する限界表面温度は19.5℃となる。そこで、熱電発電素子の表面温度が19.6℃以上となるように治具の厚み、枚数、材質を設定するシミュレーションを行った。

0036

(1)状況に応じて治具の厚みを変える場合
治具に使用する材質を硬質ウレタン(熱伝導率:0.029W/m・K)とすると、配管内流体温度が7℃のとき、硬質ウレタンの厚みは3.8mmとすれば熱電発電素子の表面温度は19.6℃となり、配管内流体温度が12℃のとき、硬質ウレタンの厚みは2.3mmとすれば熱電発電素子の表面温度は19.6℃となる。

0037

(2)状況に応じて一定の厚みを有した治具の枚数を変える場合

治具に使用する材質をシリコンゴム(熱伝導率:0.158W/m・K)、治具の厚みを1mmと規定すれば、配管内流体温度が7℃のとき、挿入する治具の枚数を19枚とすれば熱電発電素子の表面温度は19.8℃となる。また、配管内流体温度が12℃のとき、挿入する治具の枚数を12枚とすれば熱電発電素子の表面温度は19.7℃となる。

0038

また、治具に使用する材質を硬質ウレタン(熱伝導率:0.029W/m・K)、治具の厚みを1mmとすると、配管内流体温度が7℃のとき、挿入する治具の枚数を4枚とすれば熱電発電素子の表面温度は20.0℃となる。また、配管内流体温度が12℃のとき、挿入する治具の枚数を3枚とすれば表面温度は熱電発電素子の表面温度は20.7℃となる。

0039

熱伝導率が比較的高いシリコンゴムのみを用いると治具の使用枚数が多くなり、硬質ウレタンのみを用いると表面温度の目標値に近づけにくくなるため、これらの部材からなる治具を適宜組み合わせて用いてもよい。その場合、シリコンゴムからなる治具の枚数で微調整する。

実施例

0040

(3)材質の異なる治具を用意しておき、状況に応じて使用する材質(治具)を選択する場合
何れも厚み8mmの複数種類の材質からなる治具を用意しておく。配管内流体温度が−9℃(例えばブラインの往管など)の場合、硬質ウレタン(熱伝導率:0.029W/m・K)製の治具を用いれば熱電発電素子の表面温度は19.7℃となる。また、配管内流体温度が15℃(例えば冷水の還管など)の場合、シリコンゴム(熱伝導率:0.158W/m・K)製の治具を用いれば熱電発電素子の表面温度は19.9℃となる。

0041

1、1’熱電発電装置
2配管
3治具
4熱電発電素子
10 治具本体
10a 治具本体部分
11 配管側支持部
12素子本体
15放熱板
16放熱フィン
20 可撓性部材
21 可撓性部材本体
22 支持部
23係止具
25 チェーン

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