技術 熱電発電装置

0001

本発明は、熱を電力に変換する熱電発電装置に関するものである。

0002

従来より、炉、エンジンなどでは大量の排熱が生じることが知られている。そこで、これらから生じる排熱を有効利用すべく、特許文献１に示されるように、熱電変換素子による発電が提案されている。

0003

特許文献１では、排熱機器の排熱経路にペルチェ素子を取り付け、この排熱経路内を流れる排熱によりペルチェ素子内側面を加熱し外面を外気で冷却して、内外両面に温度差を持たせて、ペルチェ素子のゼーベック効果で発電させている。

0004

特開２００９−２６８２８２号公報

0005

図５に従来の熱電発電装置２０を示す。この熱電発電装置は熱電モジュール２６を含んでいる。この熱電モジュール２６は、焼却設備の排ガス用パイプの壁面１０などの高温になる部材（高温熱源、高温側）と、冷却ユニット２２などの低温になる部材（低温熱源、低温側）との間に設置されており、高温熱源と低温熱源の温度差に応じた起電力を発生する。基本的に、高温熱源と低温熱源との温度差が大きいほど、大きな電力、大きな発電効率が得られる。

0006

ところが、図５に示す従来の熱電発電装置２０では、高温側の熱が熱電モジュール２６を介さずに低温熱源に伝わってしまって高温側と低温側との温度差が小さくなってしまうという問題点がある。

0007

図５に示す熱電発電装置２０においては壁面１０と接触しているのは熱伝導率の高い金属（銅など）で形成された集熱板２８であり、この集熱板２８によって集められた壁面１０の熱が、図５中に示す矢印Ｑの経路を通って熱電モジュール２６に伝えられる。その一方で、集熱板２８と冷却ユニット２２との間の領域には、熱電モジュール２６以外の部分に断熱部材２７（シリコンなどの熱伝導率の低い材質による板）が配置されており、集熱板２８から冷却ユニット２２へ輻射熱が伝わらないようになっている。

0008

しかしながら、断熱部材２７が配置されていても、集熱板２８から冷却ユニット２２へ熱が伝導されてしまうことを十分に防ぐことができない場合がある。なぜならば、図５の矢印Ｑｘで示すように、まず集熱板２８から断熱部材２７に熱が伝わり、その熱が断熱部材２７から冷却ユニット２２へ伝わるからである。つまり、断熱部材２７を通じて壁面１０から冷却ユニット２２への伝熱が生じてしまう。このような経路により伝導される熱量が大きければ、冷却ユニット２２の温度が上昇し、高温側（壁面１０）と低温側（冷却ユニット２２）との間の温度差が小さくなってしまい、熱電モジュール２６による発電効率が低くなってしまう。

0009

そこで本発明は、断熱部材を通じた高温側から低温側への輻射による伝熱が発生しないようにして、熱電モジュールの発電に寄与しない伝熱を抑制し、熱電モジュールによる発電効率を高く保つことが可能な熱電発電装置を提供することを目的とする。

0010

上記課題を解決するため、本発明の一実施形態に係る熱電発電装置は、高温側と低温側との温度差に応じて電力を発生させる熱電モジュールと、前記熱電モジュールの周囲に設けられた第１の断熱層と、高温側から低温側に向かう方向で、前記第１の断熱層と積層される第２の断熱層と、を備える、熱電発電装置である。

0011

また、本発明の更なる実施形態に係る熱電発電装置においては、前記第１の断熱層と前記第２の断熱層とのうち一方は固体または液体で構成されており、他方は気体で構成されている。

0012

また、本発明の更なる実施形態に係る熱電発電装置においては、前記熱電モジュールの低温側に接して前記熱電モジュールを冷却する冷却伝熱部と、前記冷却伝熱部の周囲に設けられた冷却周辺部とを有する冷却部材をさらに備え、前記冷却部材の前記冷却伝熱部は前記冷却周辺部から前記熱電モジュールの方へ突出するように配置されており、前記第２の断熱層は、前記冷却周辺部に臨む領域に配置されている。

0013

また、本発明の更なる実施形態に係る熱電発電装置においては、前記冷却部材の前記冷却周辺部の周囲に、前記冷却周辺部から前記冷却伝熱部と同じ方向へ突出する冷却外周部が設けられている。

0014

また、本発明の更なる実施形態に係る熱電発電装置においては、前記第１の断熱層が、固体または液体の断熱材で構成されており、前記冷却外周部は、前記第１の断熱層と接しており、前記第２の断熱層が、少なくとも前記冷却周辺部・前記冷却外周部・前記第１断熱層で囲まれる空間により形成される。

0015

また、本発明の更なる実施形態に係る熱電発電装置においては、前記熱電モジュールの高温側に接して前記熱電モジュールを加熱する加熱伝熱部と、前記加熱伝熱部の周囲に設けられた加熱周辺部とを有する加熱部材をさらに備え、前記加熱部材の前記加熱伝熱部は前記加熱周辺部から前記熱電モジュールの方へ突出するように配置されており、前記第２の断熱層は、前記加熱周辺部に臨む領域に配置されている。

0016

また、本発明の更なる実施形態に係る熱電発電装置においては、前記第１の断熱層は、前記熱電モジュールよりも薄く構成されており、前記第１の断熱層と前記熱電モジュールの厚みの差により、前記第２の断熱層が形成されている。

0017

また、本発明の更なる実施形態に係る熱電発電装置においては、前記第１の断熱層と前記第２の断熱層との組み合わせが複数設けられている。

0018

また、本発明のもう一つの実施形態に係る熱電発電装置は、熱電変換を行う複数の熱電モジュールと、前記複数の熱電モジュールを冷却する冷却部材と、前記複数の熱電モジュールを加熱する加熱部材と、前記複数の熱電モジュールの周囲に設けられた固体または液体の断熱部材と、を備え、前記冷却部材または前記加熱部材の少なくとも一方は、前記複数の熱電モジュールのそれぞれに対し、前記熱電モジュールと接する伝熱部と、前記伝熱部が突出するように該伝熱部の周囲に設けられた伝熱周辺部と、前記伝熱周辺部の周囲に設けられ、前記伝熱周辺部よりも突出するように設けられた伝熱外周部と、前記断熱部材と、前記伝熱周辺部と、前記伝熱外周部とで囲まれて形成される気体の断熱層と、を有する、熱電発電装置である。

0019

また、本発明に係る他の実施形態としての冷却部材は、熱電変換を行う熱電モジュールに接する冷却伝熱部と、前記冷却伝熱部の周囲に設けられた冷却周辺部と、前記冷却周辺部の周囲に設けられた冷却外周部とを有し、前記冷却伝熱部および前記冷却外周部は前記冷却周辺部から前記熱電モジュールの方へ突出するように設けられている、前記熱電モジュールを冷却する冷却部材である。

0020

また、本発明に係る他の実施形態としての加熱部材は、熱電変換を行う熱電モジュールに接する加熱伝熱部と、前記加熱伝熱部の周囲に設けられた加熱周辺部と、前記加熱周辺部の周囲に設けられた加熱外周部とを有し、前記加熱伝熱部および前記加熱外周部は前記加熱周辺部から前記熱電モジュールの方へ突出するように設けられている、前記熱電モジュールを加熱する加熱部材である。

0021

また、本発明に係る他の実施形態としての熱電発電装置は、高温側と低温側との温度差に応じて電力を発生させる熱電モジュールと、前記熱電モジュールの周囲に設けられた断熱層を備え、前記断熱層は、繊維状断熱部材と、前記繊維状断熱部材の繊維同士の隙間に存在する気体とを含む熱電発電装置である。

0022

本発明によれば、熱電モジュールの発電に寄与しない形での高温側から低温側への伝熱が抑制され、熱電モジュールによる発電効率が高く保たれる。

0023

本発明の実施形態の一例における熱電発電装置における伝熱の様子を示す断面図。
図１の熱電発電装置が備える冷却ユニットの構造を示す断面図および底面図。
冷却ユニットの別形態を示す断面図および底面図。
冷却ユニットの別形態を示す断面図および底面図。
従来の熱電発電装置における伝熱の様子を示す図。

0024

図１に、本発明の実施形態の一例としての熱電発電装置２０を示す。この熱電発電装置は壁面１０に取り付けられている。熱電発電装置２０が取り付けられる対象である壁面１０の例としては、焼却設備における燃焼室の外壁や排ガス用パイプの外面など、高温になる場所の表面が挙げられる。本実施形態においてはこの壁面１０が熱電発電装置２０にとっての熱源（高温熱源、高温側）となっている。

0025

図１に示すように、本実施形態の熱電発電装置２０は壁面１０より遠い側から順に、冷却ユニット２２、熱電モジュール２６、集熱板２８を備えている。この熱電モジュール２６は周囲環境の温度差を電力に変換する機能を有している。熱電モジュールとしては例えば、ゼーベック効果を利用して熱を電力に変換する熱電変換素子（ｐ形・ｎ形の半導体が交互に接続された素子）が複数組み込まれたモジュールが利用可能である。熱電モジュール２６は図１の通り、冷却部材としての冷却ユニット２２と集熱板２８とに挟まれるように配置されている。そして熱電モジュール２６は、冷却ユニット２２と集熱板２８との温度差に応じた電力を発生する。なお熱電モジュール２６から発生する電力は、図示しない電気配線を通じて、電力を必要とする外部の装置へ送られる。

0026

熱電モジュール２６から見て熱源としての壁面１０とは反対側に配置されている冷却ユニット２２は、冷却水を貯蔵可能なタンクであり、このタンクは熱電発電装置２０が使用される設備（例えば焼却設備）における冷却ライン２１（冷却系）と接続されている。図１に示す冷却ライン２１は施設内に敷設された管路であり、この管路内で冷却水が循環している。循環により冷却ユニット２２としてのタンク内の冷却水は常に低温のものと交換され続けるので、冷却ユニット２２は低温に保たれ続ける。したがって、設備の稼働中は、高温となる壁面１０（高温熱源、高温側）と冷却ユニット２２（低温熱源、低温側）との間には常に温度差が生じ、熱電モジュール２６はその温度差に応じた電力を発電し続けることができる。

0027

熱電モジュール２６から見て熱源としての壁面１０の側に配置されている集熱板２８は熱伝導率の高い金属（例えば銅）で形成された板であり、熱電モジュール２６よりも大きな面積を有している。このため、壁面１０の広い範囲から熱を集めて熱電モジュール２６へと伝えることができる。

0028

なお、熱電モジュール２６を冷却ユニット２２および集熱板２８と密着させるため、そして熱電発電装置２０を壁面１０に取り付けるために、締結部材としての締結ボルト２９が冷却ユニット２２から壁面１０にかけて延びるようにして数本設けられている。

0029

以上の構造により、図１中に示す矢印Ｑの経路上で、集熱板２８によって集められた壁面１０の熱が熱電モジュール２６の図中下方の面へ伝えられて加熱が行われる。また同じ矢印Ｑの経路上で、熱電モジュール２６の図中上方の面が冷却ユニット２２と接して冷却される。こうして、熱電モジュール２６は壁面１０と冷却ユニット２２との温度差に応じた電力を発電する。

0030

そして、集熱板２８と冷却ユニット２２との間の領域には、熱電モジュール２６の周囲に第１の断熱層としての断熱部材２７（ここではシリコンなどの熱伝導率の低い材質による板）が設けられており、集熱板２８から冷却ユニット２２へ直接に輻射熱が伝わらないようになっている。

0031

さらに図１に示す本実施形態の熱電発電装置２０においては、断熱部材２７と冷却ユニット２２との間に、第２の断熱層としての空気断熱層３０が配置されている。この空気断熱層３０が存在することにより、壁面１０から冷却ユニット２２への断熱部材２７を介した熱伝導が抑制される。

0032

具体的には、図１中に示す矢印Ｑｚの経路、すなわち集熱板２８から熱電モジュール２６を通らずに冷却ユニット２２へ向かう経路上で、熱伝導は断熱部材２７によって阻まれるだけでなく、熱伝導率の小さい空気で満たされている空気断熱層３０にも阻まれることになるため、矢印Ｑｚの経路での熱伝導が抑制される。

0033

この空気断熱層３０は冷却ユニット２２と断熱部材２７との間に形成される領域内に満たされた空気によって構成されている。図１に示す実施形態においては、冷却ユニット２２の形状が、空気断熱層３０が配置される領域を形成する構造となっている。

0034

図２に、図１に示す冷却ユニット２２の構造を示す。図２上側には冷却ユニット２２の断面図を示し、図２下側にはこの断面図のＡ−Ａ矢視図を示す。

0035

ここに示す冷却ユニット２２は、全体としては直方体型の形状を有し、その内部には冷却水３２を貯蔵可能な空洞が設けられている。そして断面図において冷却ユニット２２の図中下方の面（図１において熱電モジュール２６が配置されている側の面）には、冷却伝熱部３６と、冷却周辺部３８と、冷却外周部３９とが設けられている。なお、Ａ−Ａ矢視図に示されているように、冷却ユニット２２には図１の締結ボルト２９を通すためのボルト穴３４も設けられており、ここでは冷却周辺部３８の四隅（冷却外周部３９より内側）にボルト穴３４が設けられている。

0036

冷却伝熱部３６は図１の熱電モジュール２６と接して熱電モジュール２６の冷却を行う面であり、ここでは熱電モジュール２６の上面と同じ寸法の面積を有し、冷却周辺部３８と比べて熱電モジュール２６の方へ（断面図下側へ）突出している。冷却周辺部３８は冷却伝熱部３６を囲むように設けられており、冷却伝熱部３６と比べて冷却水３２用の空洞側へ（断面図上側へ）向けて窪んでいる。

0037

冷却外周部３９は冷却周辺部３８をさらに囲むように設けられており、冷却周辺部３８と比べて断面図下側へ、すなわち冷却伝熱部３６と同じ方向へ突出している。図２下側のＡ−Ａ矢視図に示すように、矩形状の冷却ユニット２２下面において、外側から順に冷却外周部３９、冷却周辺部３８、冷却伝熱部３６が配置された構造になっている。すなわち、全体として矩形状の冷却ユニット２２下面から、周縁に位置する冷却外周部３９および中央に位置する小さな矩形状の冷却伝熱部３６を残して、それら以外の部分にあたる冷却周辺部３８がくり抜かれたような形状となっている。

0038

このような形状は、製造者が平坦な下面を有する冷却ユニット２２を製造した後に、切削などによって冷却周辺部３８にあたる部分を溝状に加工（溝加工）することによって形成してもよいし、所定形状の鋳型を用いるなどして、始めから図２に示すような形状を有する冷却ユニット２２が製造されるようになっていてもよい。

0039

冷却ユニット２２が以上のような構造となっていることにより、冷却ユニット２２の下面側に図１の熱電モジュール２６および断熱部材２７が配置されたとき、冷却伝熱部３６が熱電モジュール２６と接する一方で、冷却周辺部３８を上面とし、冷却外周部３９を側面とし、断熱部材２７を下面として、これらによって囲まれる空間が生じる。この空間、つまり冷却周辺部３８に臨む領域に存在する気体すなわち空気が、図１に示す空気断熱層として機能する。

0040

図１、図２では熱電モジュール２６およびこれに接する冷却伝熱部３６を１つのみ示しているが、熱電発電装置２０には複数の熱電モジュール２６が含まれていてもよい。その場合、図３に示すように、冷却ユニット２２には、複数の熱電モジュール２６のそれぞれに対応して（各熱電モジュール２６と接触できるように）冷却伝熱部３６（伝熱部）が複数設けられていてもよい。図３の上側は冷却ユニット２２の断面図であり、下側はこの断面図のＢ−Ｂ矢視図である。Ｂ−Ｂ矢視図に示すように、複数の（ここでは４つの）冷却伝熱部３６のいずれも、その周囲を冷却周辺部３８（伝熱周辺部）によって囲まれており、冷却周辺部３８の周囲をさらに囲うように冷却外周部３９（伝熱外周部）が設けられている。なおボルト穴３４は図１と同じく冷却周辺部３８の四隅に設けられている。

0041

図３の冷却ユニット２２の下方に、冷却伝熱部３６のそれぞれに対応して熱電モジュール２６が配置され、複数の熱電モジュール２６の周囲に断熱部材２７が配置されたときには、断熱部材２７と、冷却周辺部３８と、冷却外周部３９とによって囲まれた空間が生じ、この空間、つまり断熱部材２７を下面とし、冷却周辺部３８を上面とし、冷却外周部３９を側面とする空間が、空気断熱層３０（断熱層）を形成する。

0042

図３の冷却ユニット２２を含む熱電発電装置２０では、複数の熱電モジュール２６に対して壁面１０および集熱板２８からの伝熱が行われ、各熱電モジュール２６の冷却ユニット２２側の面はそれぞれ、対応する冷却伝熱部３６を介して冷却される。その一方で、前述の空気断熱層３０、すなわち冷却外周部３９に臨む領域に満たされている空気と、断熱部材２７とが、壁面１０および集熱板２８から冷却ユニット２２へ向けての伝熱を抑制するため、複数の熱電モジュール２６の発電効率はいずれも高く保たれる。

0043

図３においては４つの冷却伝熱部３６をそれぞれ囲う冷却周辺部３８がひと繋がりになっている形状、つまり１つの冷却周辺部３８内に４つの冷却伝熱部３６が配置される形状を示したが、図４のように、複数の（ここでは４つの）冷却伝熱部３６をそれぞれ囲う冷却周辺部３８が個別に分離された形状であってもよい。図４の上側は冷却ユニット２２の断面図であり、下側はこの断面図のＣ−Ｃ矢視図である。ここでも、冷却ユニット２２の四隅にボルト穴３４が設けられている。

0044

Ｃ−Ｃ矢視図に示すように、複数の（ここでは４つの）冷却伝熱部３６の近接領域をそれぞれ囲んでいる冷却周辺部３８は、他の冷却伝熱部３６の近接領域を囲む冷却周辺部３８とは分離壁３７により分離されている。

0045

図４の冷却ユニット２２を含む熱電発電装置２０でも、図３のものと同じく複数の熱電モジュール２６の発電効率はいずれも高く保たれる。さらに、冷却伝熱部３６の間に設けられた分離壁３７により、高温側から低温側の方向の力に対する機械的な強度を向上させることができる。

0046

＜変形例１＞
上記実施形態では、冷却部材である冷却ユニット２２の下面に溝加工が施されることにより空気断熱層３０が形成される形態を説明した。本変形例では、空気断熱層３０は高温側に設けられる。詳細には、高温側の加熱部材としての壁面１０または集熱板２８に溝加工が施される。そして、冷却伝熱部３６、冷却周辺部３８、冷却外周部３９の代わりに、熱電モジュール２６の方へ突出し熱電モジュール２６と接して加熱を担う加熱伝熱部（伝熱部）、その周囲に設けられる溝状の加熱周辺部（伝熱周辺部）、さらにその周囲に設けられ熱電モジュール２６の方へ突出する加熱外周部（伝熱外周部）が形成されたものが用いられる。この場合、加熱周辺部に臨む領域（加熱周辺部・加熱外周部・断熱部材２７で囲まれる空間）に存在する空気が、空気断熱層（第２の断熱層）として機能する。一般に金属は高温にさらされると変形しやすいが、このような構成とすると、金属の厚みが比較的厚い加熱伝熱部と、比較的薄い加熱外周部とが組み合わされた形状となり、加熱伝熱部の変形が抑制される。したがって、熱電モジュール２６が集熱板２８の変形に伴って破損することを効果的に抑制することができる。

0047

また、以上においては第１の断熱層である断熱部材２７に加えて用意される第２の断熱層が、閉鎖空間内に満たされた空気で形成されるものとしたが、第２の断熱層は第１の断熱層と積層されることによって断熱性能を強化できるものであればよく、例えば不活性ガスなどの空気以外で断熱性の高い気体が冷却周辺部３８に臨む領域に注入されることによって第２の断熱層が形成されていてもよい。第２の断熱層の領域の気密性を高くできるのであれば、この領域を真空にしてもよい。また、第２の断熱層の領域は必ずしも閉鎖空間である必要はなく、例えば冷却外周部３９が熱電モジュール２６の方へ突出しておらず、冷却周辺部３８が冷却ユニット２２下面の外周にまで広がっている形状であってもよい。この場合でも、冷却周辺部３８を上面、断熱部材２７を下面とする領域には空気が存在しているので空気断熱層３０としての機能が果たされ、熱電発電装置２０の設置環境によっては空気断熱層３０に含まれる空気が常に外部と交換され続けることになって、高温側から低温側へ向けての伝熱を抑制するという観点においてはより効果が大きくなることもある。

0048

また、冷却ユニット２２と集熱板２８の両方に溝加工が施されて、低温側と高温側の両方に空気断熱層が設けられるようになっていてもよい。

0049

＜変形例２＞
本変形例では、熱電モジュール２６の厚みに対して、加熱部材と冷却部材との間隔が十分に大きくなるように構成する。そして、加熱部材と冷却部材の間に断熱部材２７を配置した際、空気断熱層が形成されるようにする。換言すると、熱電モジュール２６に対して、断熱部材２７が薄くなるように構成されている。なお、熱電モジュール２６の厚みが必要な断熱部材２７の厚みに対して十分でない場合は、熱伝導率の高い金属体を熱電モジュール２６と冷却部材または加熱部材の間に入れてもよい。

0050

このような構成とすることで、上述の実施形態および変形例では高温側の加熱部材としての壁面１０または集熱板２８の熱電モジュール２６側、または、冷却側の冷却部材である冷却ユニット２２の熱電モジュール２６側に、溝加工などが設けられていたが、これを省略することができる。したがって、特別な加工が施されていない汎用的な加熱部材と冷却部材を用いることができる。

0051

＜変形例３＞
本変形例では、図５に示す従来の熱電発電装置２０の加熱部材と冷却部材の間に設けられる断熱部材２７が、シリコンなどの熱伝導率の低い材質による板の積層体で構成されている。そして積層体の各層の間には空気断熱層が形成されている。この空気断熱層は積層方向に圧力をかけることなく層を重ねることにより各層の間に自然に生じるものを利用している。なお、効果的に空気断熱層が形成されるように、各層の表面に凹凸が設けられていてもよい。また、より効果的に空気断熱層が形成されるように、断熱部材の各層の間にスペーサーを挿入してもよい。このような構成とすることにより、上記実施形態と従来の熱電発電装置２０から断熱部材２７を変更するだけで上記実施形態や変形例と類似の効果が得られる。加えて、多層構造を採用することにより変形例１よりも輻射量が小さくなることが期待できる。

0052

＜変形例４＞
本変形例では、図５に示す従来の熱電発電装置２０の加熱部材と冷却部材の間に設けられる断熱層をなす断熱部材が、グラスウールなどを材料とする繊維状断熱部材をシート状にしたもので構成されている。シート状の断熱部材には繊維同士の隙間があるため、この隙間に存在する空気（気体）が空気断熱層として機能する。このような繊維状断熱部材と気体とを含む構成とすることにより、上記実施形態と従来の熱電発電装置２０から断熱部材２７を変更するだけで上記実施形態や変形例と類似の効果が得られる。加えて、このような構成とすることにより、輻射量がより小さくなることが期待できる。

0053

また以上においては断熱部材２７としてシリコンなどの熱伝導率の低い材質による板を例示し、断熱部材２７が固体であるものとして説明したが、断熱部材２７は第１の断熱層として高温側から低温側へ向けての輻射を抑制できるものであればよく、必ずしも固体である必要はない。例えば熱伝導率の低い液体やゲル状物質が満たされた袋が断熱部材２７として配置されていてもよい。

0054

１０ 壁面
２０熱電発電装置
２１冷却ライン
２２冷却ユニット
２６熱電モジュール
２７断熱部材
２８集熱板
２９締結ボルト
３０空気断熱層
３６ 冷却伝熱部
３７分離壁
３８ 冷却周辺部
３９ 冷却外周部