図面 (/)

技術 熱発電システム

出願人 パナソニックIPマネジメント株式会社
発明者 菅野勉酒井章裕高橋宏平玉置洋正草田英夫山田由佳
出願日 2013年8月7日 (7年11ヶ月経過) 出願番号 2014-554998
公開日 2017年3月2日 (4年4ヶ月経過) 公開番号 WO2015-019385
状態 拒絶査定
技術分野 特殊な電動機、発電機 熱電素子
主要キーワード 冷水供給源 媒体路 アンチモンテルル 流量可変バルブ 相互接続部分 端子接続部分 廃熱利用システム 導電性リング
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年3月2日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (20)

課題・解決手段

本開示の熱発電システムは、相互に温度が異なる第1の熱媒体および第2の熱媒体を用いて熱発電を行う熱発電ユニットを備えている。熱発電ユニットは、熱発電チューブを備えており、熱発電チューブは、外周面および内周面を有し、かつ内周面と外周面との間の温度差によって熱発電チューブの軸方向に起電力を発生するように構成されている。熱発電チューブは、第1の層と第2の層とが積層された積層体を有する。第1の層は、相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第1の材料から形成されており、積層体の積層面は、軸方向に対して傾斜している。この熱発電システムは、熱発電システムの運転状況に関する情報または設定された目標発電量に応じて、内周面によって規定される流路を流れる第1の熱媒体および外周面に接する第2の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する流量制御システムを備えている。

概要

背景

熱電変換素子(Thermoelectric conversion element)は、熱を電力に、あるいは電力を熱に変換することができる素子である。ゼーベック効果を示す熱電材料から形成した熱電変換素子は、比較的低温(例えば200℃以下)の熱源から熱エネルギーを得て電力に変換することができる。このような熱電変換素子を利用した熱発電技術によれば、従来、蒸気温水排気ガスなどの形態で未利用のまま周囲環境に捨てられていた熱エネルギーを回収して有効に活用することが可能になる。

以下、熱電材料から形成した熱電変換素子を「熱発電素子(thermoelectric generator)」と称する。一般の熱発電素子は、キャリア電気的極性が互いに異なるp型半導体およびn型半導体が組み合わされた、いわゆる「π型構造」を有する(例えば、特許文献1)。「π型構造」の熱発電素子では、p型半導体とn型半導体とが電気的に直列に、かつ熱的に並列に接続される。「π型構造」では、温度勾配の方向と電流の流れる方向とは互いに平行または反平行である。このため、高温熱源側または低温熱源側の電極出力端子を設ける必要がある。したがって、各々が「π型構造」を有する複数の熱発電素子を電気的に直列に接続するためには、複雑な配線構造が必要になる。

特許文献2は、互いに対向する第1電極および第2電極の間に、ビスマス層と、ビスマスとは異なる金属からなる金属層とが交互に積層された積層体を有する熱発電素子を開示している。特許文献2に開示される熱発電素子では、第1電極と第2電極とを結ぶ直線の方向に対して積層面が傾斜している。また、特許文献3ならびに非特許文献1および2は、チューブ型熱発電素子を開示している。特許文献4は、低温側熱交換ブロック、π型構造の熱発電素子を有する熱発電モジュール、および高温側熱交換ブロックが順に積み重ねられた熱発電装置を開示している。特許文献4は、複数の低温側熱交換ブロックの各々、および複数の高温側熱交換ブロックの各々に供給される熱媒体の流量をそれぞれ個別に調整することにより、熱発電モジュール間の発電量のばらつきを防止することを開示している。

概要

本開示の熱発電システムは、相互に温度が異なる第1の熱媒体および第2の熱媒体を用いて熱発電を行う熱発電ユニットを備えている。熱発電ユニットは、熱発電チューブを備えており、熱発電チューブは、外周面および内周面を有し、かつ内周面と外周面との間の温度差によって熱発電チューブの軸方向に起電力を発生するように構成されている。熱発電チューブは、第1の層と第2の層とが積層された積層体を有する。第1の層は、相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第1の材料から形成されており、積層体の積層面は、軸方向に対して傾斜している。この熱発電システムは、熱発電システムの運転状況に関する情報または設定された目標発電量に応じて、内周面によって規定される流路を流れる第1の熱媒体および外周面に接する第2の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する流量制御システムを備えている。

目的

特開2013−016685号公報
国際公開第2008/056466号
国際公開第2012/014366号
特開平11−274575号公報




菅野他、第72回応用物理学会学術講演会 講演予稿集、30a−A−14「非対角熱電効果を用いたチューブ型発電デバイス」 (2011)
A.Sakai et al., International conference on thermoelectrics 2012 “Enhancement in performance of the tubular thermoelectric generator (TTEG)” (2012)






熱発電技術を利用した実用的な熱発電システムが望まれている

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

相互に温度が異なる第1の熱媒体および第2の熱媒体を用いて熱発電を行う熱発電ユニットを備える熱発電システムであって、前記熱発電ユニットは、外周面および内周面を有し、かつ前記内周面と前記外周面との間の温度差によって熱発電チューブの軸方向に起電力を発生するように構成されている、熱発電チューブを有し、前記熱発電チューブは、相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第1の材料から形成された第1の層と、相対的にゼーベック係数が高く熱伝導率が低い第2の材料から形成された第2の層とが積層された積層体であって、前記熱発電チューブの軸を含む断面において、積層面が前記軸方向に対して傾斜している積層体を有し、前記熱発電システムは、更に、前記熱発電システムの運転状況に関する情報または設定された目標発電量に応じて、前記内周面によって規定される流路を流れる前記第1の熱媒体および前記外周面に接する前記第2の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する流量制御システムを備えている、熱発電システム。

請求項2

前記目標発電量を取得するように構成された目標発電量取得部を更に備える、請求項1に記載の熱発電システム。

請求項3

前記熱発電システムの運転状況に関する前記情報は、前記熱発電システムの発電量を規定する電気的パラメータを含む、請求項1または2に記載の熱発電システム。

請求項4

前記流量制御システムは、前記第1の熱媒体および前記第2の熱媒体の少なくとも一方の前記流量が増加するほど前記発電量が増加する非飽和領域に前記流量を設定し、前記情報が発電量の低下を示す場合、前記熱発電ユニットを流れる前記第1の熱媒体および前記第2の熱媒体の少なくとも一方の前記流量を増加させる、請求項3に記載の熱発電システム。

請求項5

前記熱発電システムの運転状況に関する前記情報は、前記第1の熱媒体および前記第2の熱媒体の少なくとも一方の温度を含む、請求項1から4のいずれかに記載の熱発電システム。

請求項6

前記流量制御システムは、前記第1の熱媒体および前記第2の熱媒体の少なくとも一方の前記流量が増加するほど前記発電量が増加する非飽和領域に前記流量を設定し、前記情報が前記第1の熱媒体と前記第2の熱媒体との間の温度差の低下を示す場合、前記第1の熱媒体および前記第2の熱媒体の少なくとも一方の前記流量を増加させる、請求項5に記載の熱発電システム。

請求項7

前記熱発電システムは、前記第1の熱媒体の第1の供給源に第1の流路を介して接続され、かつ、前記第2の熱媒体の第2の供給源に第2の流路を介して接続されており、前記第1の供給源からの前記第1の熱媒体の供給量および前記第2の供給源からの前記第2の熱媒体の供給量の少なくとも一方は、経時的に変動する、請求項1から6のいずれかに記載の熱発電システム。

請求項8

前記流量制御システムは、前記第1の流路に接続された第1の流量制御部を備え、前記第1の流量制御部は、前記第1の熱媒体を一時的に蓄えるように構成された第1の格納容器と、前記第1の格納容器内の前記第1の熱媒体が前記第1の格納容器から前記熱発電ユニットに流れる流量を設定範囲内に調整する第1の調整器と、を有する、請求項7に記載の熱発電システム。

請求項9

前記第1の格納容器は、前記第1の流路に対して直列または並列に接続されている、請求項8に記載の熱発電システム。

請求項10

前記流量制御システムは、前記第2の流路に接続された第2の流量制御部を備え、前記第2の流量制御部は、前記第2の熱媒体を一時的に蓄えるように構成された第2の格納容器と、前記第2の格納容器内の前記第2の熱媒体が前記第2の格納容器から前記熱発電ユニットに流れる流量を設定範囲内に調整する第2の調整器と、を有する、請求項7から9のいずれかに記載の熱発電システム。

請求項11

前記第2の格納容器は、前記第2の流路に対して直列または並列に接続されている、請求項10に記載の熱発電システム。

請求項12

前記熱発電システムの運転状況に関する前記情報は、前記第1の熱媒体の前記供給量および前記第2の熱媒体の前記供給量の少なくとも一方を含む、請求項7から11のいずれかに記載の熱発電システム。

請求項13

前記第1の流路および前記第2の流路の少なくとも一方は、前記供給源から出た熱媒体が前記供給源に戻るように構成された循環路である、請求項7から12のいずれかに記載の熱発電システム。

請求項14

前記熱発電ユニットは、前記熱発電チューブを内部に収容する容器であって、前記内部に前記第2の熱媒体を流すための流体入口および流体出口と、前記熱発電チューブが挿入される開口部とを有する容器を更に有する、請求項1から13のいずれかに記載の熱発電システム。

請求項15

請求項1から14のいずれかに記載された熱発電システムを用いる発電方法であって、前記熱発電チューブの前記流路内に第1の熱媒体を流す工程と、前記第1の熱媒体の温度とは異なる温度の第2の熱媒体を前記熱発電チューブの前記外周面に接触させる工程と、前記熱発電システムの運転状況に関する情報または目標発電量を取得し、前記情報または前記目標発電量に応じて、前記熱発電チューブの前記流路を流れる前記第1の熱媒体および前記外周面に接する前記第2の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する工程と、を含む、発電方法。

技術分野

0001

本願は、熱発電ユニットを備える熱発電システムに関する。

背景技術

0002

熱電変換素子(Thermoelectric conversion element)は、熱を電力に、あるいは電力を熱に変換することができる素子である。ゼーベック効果を示す熱電材料から形成した熱電変換素子は、比較的低温(例えば200℃以下)の熱源から熱エネルギーを得て電力に変換することができる。このような熱電変換素子を利用した熱発電技術によれば、従来、蒸気温水排気ガスなどの形態で未利用のまま周囲環境に捨てられていた熱エネルギーを回収して有効に活用することが可能になる。

0003

以下、熱電材料から形成した熱電変換素子を「熱発電素子(thermoelectric generator)」と称する。一般の熱発電素子は、キャリア電気的極性が互いに異なるp型半導体およびn型半導体が組み合わされた、いわゆる「π型構造」を有する(例えば、特許文献1)。「π型構造」の熱発電素子では、p型半導体とn型半導体とが電気的に直列に、かつ熱的に並列に接続される。「π型構造」では、温度勾配の方向と電流の流れる方向とは互いに平行または反平行である。このため、高温熱源側または低温熱源側の電極出力端子を設ける必要がある。したがって、各々が「π型構造」を有する複数の熱発電素子を電気的に直列に接続するためには、複雑な配線構造が必要になる。

0004

特許文献2は、互いに対向する第1電極および第2電極の間に、ビスマス層と、ビスマスとは異なる金属からなる金属層とが交互に積層された積層体を有する熱発電素子を開示している。特許文献2に開示される熱発電素子では、第1電極と第2電極とを結ぶ直線の方向に対して積層面が傾斜している。また、特許文献3ならびに非特許文献1および2は、チューブ型熱発電素子を開示している。特許文献4は、低温側熱交換ブロック、π型構造の熱発電素子を有する熱発電モジュール、および高温側熱交換ブロックが順に積み重ねられた熱発電装置を開示している。特許文献4は、複数の低温側熱交換ブロックの各々、および複数の高温側熱交換ブロックの各々に供給される熱媒体の流量をそれぞれ個別に調整することにより、熱発電モジュール間の発電量のばらつきを防止することを開示している。

0005

特開2013−016685号公報
国際公開第2008/056466号
国際公開第2012/014366号
特開平11−274575号公報

先行技術

0006

菅野他、第72回応用物理学会学術講演会 講演予稿集、30a−A−14「非対角熱電効果を用いたチューブ型発電デバイス」 (2011)
A.Sakai et al., International conference on thermoelectrics 2012 “Enhancement in performance of the tubular thermoelectric generator (TTEG)” (2012)

発明が解決しようとする課題

0007

熱発電技術を利用した実用的な熱発電システムが望まれている。

課題を解決するための手段

0008

本開示の熱発電システムは、相互に温度が異なる第1の熱媒体および第2の熱媒体を用いて熱発電を行う熱発電ユニットを備える熱発電システムであって、前記熱発電ユニットは、外周面および内周面を有し、かつ前記内周面と前記外周面との間の温度差によって熱発電チューブの軸方向に起電力を発生するように構成されている、熱発電チューブを有し、前記熱発電チューブは、相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第1の材料から形成された第1の層と、相対的にゼーベック係数が高く熱伝導率が低い第2の材料から形成された第2の層とが積層された積層体であって、前記熱発電チューブの軸を含む断面において、積層面が前記軸方向に対して傾斜している積層体を有し、前記熱発電システムは、更に、前記熱発電システムの運転状況に関する情報、または設定された目標発電量に応じて、前記内周面によって規定される流路を流れる前記第1の熱媒体および前記外周面に接する前記第2の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する流量制御システムを備えている。

発明の効果

0009

本開示の熱発電システムによれば、熱発電の実用性が向上する。

図面の簡単な説明

0010

熱発電素子10の断面図である。
図1Aの熱発電素子10の上面図である。
熱発電素子10の上面10aに高温熱源120を接触させ、かつ、下面10bに低温熱源140を接触させた状態を示す図である。
本開示による例示的な熱発電システムに使用され得る熱発電チューブTの概略構成を示す斜視図である。
本開示による熱発電システムが備える例示的な熱発電ユニット100の概略構成を示す斜視図である。
熱発電チューブTの外周面と内周面との間に温度差を与えるための構成の例を示すブロック図である。
熱発電チューブT1〜T10の電気的接続の例を模式的に示す図である。
(a)は、熱発電システム100が備える熱発電チューブTのうちの1つ(ここでは熱発電チューブT1)を示す斜視図であり、(b)は、熱発電チューブT1の軸(中心軸)を含む平面に沿って熱発電チューブT1を切断したときの断面を示す図である。
(a)は、本開示の熱発電システムが備える熱発電ユニットの一態様を示す正面図であり、(b)は、熱発電ユニット100の側面のうちの一つを示す図(ここでは右側面図)である。
図7(b)のM−M断面の一部を示す図である。
熱発電ユニット100に導入された温熱媒体および冷熱媒体の流れ方向の例を模式的に示す図である。
熱発電チューブの起電力Vと温熱媒体(温度T)の流量Lとの関係の典型例を示すグラフである。
同一の熱発電チューブについて、温熱媒体の温度がT0の場合における起電力Vと流量Lとの典型例を示す曲線、および、温熱媒体の温度がTLの場合における起電力Vと流量Lとの関係を示すグラフである。
温熱媒体および冷熱媒体の流量が相対的に低い場合における温熱媒体、熱発電チューブの熱電材料の部分、および冷熱媒体における温度分布を模式的に示す図である。
温熱媒体の流量が相対的に高い場合における温熱媒体、熱発電チューブの熱電材料の部分、および冷熱媒体における温度分布を模式的に示す図である。
従来のπ型熱発電素子における温熱媒体の流量が小さい場合の温熱媒体、熱発電チューブの熱電材料の部分、および冷熱媒体における温度分布を模式的に示す図である。
従来のπ型熱発電素子における温熱媒体の流量が大きい場合の温熱媒体、熱発電チューブの熱電材料の部分、および冷熱媒体における温度分布を模式的に示す図である。
起電力VとΔTとの関係を示すグラフである。
熱発電チューブにおける電流および発電量の電位差依存性を示すグラフである。
熱発電ユニットを流れる温熱媒体の流量の経時的な変動の様子を模式的に示すグラフである。
熱発電ユニットを流れる温熱媒体の流量の経時的な変動に応じて発電量が大きく変動する様子(破線の曲線)を示すグラフである。
本開示の実施形態における熱発電システムの構成例を示すブロック図である。
本開示の実施形態における熱発電システムの他の構成例を示すブロック図である。
本開示の実施形態における熱発電システムの第1の基本構成例を示す図である。
本開示の実施形態における熱発電システムの第2の基本構成例を示す図である。
本開示の実施形態における熱発電システムの第3の基本構成例を示す図である。
流量制御部530の構成例を示す図である。
流量制御部530の他の構成例を示す図である。
流量制御部530の更に他の構成例を示す図である。
流量制御部530の更に他の構成例を示す図である。
流量制御部530の更に他の構成例を示す図である。
流量制御部530の更に他の構成例を示す図である。
(a)は、プレート36の一部の断面を示す図であり、(b)は、(a)において矢印V1で示す方向から見たときの導電性部材J1の外観を示す図である。
(a)は、導電性部材J1を収容するチャネルC1近傍の分解斜視図であり、(b)は、第2プレート部分36bのシール面(第1プレート部分36aと対向する面)のうち、開口部A61およびA62に対応する部分を示す斜視図である。
(a)は、導電性リング状部材56の1つの例示的な形状を示す斜視図であり、(b)は、導電性リング状部材56の他の例の形状を示す斜視図である。
(a)は、導電性リング状部材56および熱発電チューブT1を示す断面図であり、(b)は、導電性リング状部材56に熱発電チューブT1の端部が挿入された状態を示す断面図であり、(c)は、導電性リング状部材56および導電性部材J1に熱発電チューブT1の端部が挿入された状態を示す断面図である。
(a)は、導電性リング状部材56および導電性部材J1の一部を示す断面図であり、(b)は、導電性部材J1の貫通孔Jh1に導電性リング状部材56の弾性部56rが挿入された状態を示す断面図である。
端部に面取り部Cmを有する熱発電チューブTの断面図である。
(a)および(b)は、それぞれ、電気的に直列に接続された熱発電チューブTを流れる電流を模式的に示す図である。
2個の開口部A61、A62およびその近傍における電流の向きを模式的に示す図である。
(a)および(b)は、それぞれ、電極に極性の表示を有する熱発電チューブを示す斜視図である。
図7(a)に示される熱発電ユニット100の側面のうちの他の一つを示す図(左側面図)である。
(a)は、プレート34の一部の断面を示す図であり、(b)は、(a)において矢印V2で示す方向から見たときの導電性部材K1の外観を示す図である。
導電性部材K1を収容するチャネルC41近傍の分解斜視図である。
熱発電チューブTの外周面に接する媒体と、各熱発電チューブT1〜T10の内周面に接する媒体とが混ざり合わないように分離するための構造の例を示す断面図である。
(a)および(b)は、温熱媒体と冷熱媒体との分離および熱発電チューブと導電性部材との間の電気的接続を実現するための構造の他の例を示す断面図である。
(a)は、本開示の熱発電システムの構成例を示す図であり、(b)は、(a)のB−B線断面図であり、(c)は、(a)に示す熱発電システムが備えるバッファ槽の構成例を示す斜視図である。
本開示の熱発電システムの更に他の構成例を示す図である。
本開示による熱発電システムが備え得る電気回路の構成例を示すブロック図である。
本開示による熱発電システムが使用される形態の構成例を示すブロック図である。

実施例

0011

本開示の限定的ではない例示的なある熱発電システムの一態様は、相互に温度が異なる第1の熱媒体および第2の熱媒体を用いて熱発電を行う熱発電ユニットを備えている。この熱発電ユニットは、外周面および内周面を有する少なくとも1つの熱発電チューブを備えている。熱発電チューブは、相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第1の材料から形成された第1の層と、相対的にゼーベック係数が高く熱伝導率が低い第2の材料から形成された第2の層とが積層された積層体を有している。熱発電チューブの軸を含む断面において、この積層体の積層面は、軸方向に対して傾斜している。熱発電チューブは、内周面と外周面との間の温度差によって熱発電チューブの軸方向に起電力を発生させる。

0012

本開示の実施形態における熱発電システムは、更に、熱発電システムの運転状況に関する情報または設定された目標発電量に応じて、熱発電チューブの内周面によって規定される流路を流れる第1の熱媒体および熱発電チューブの外周面に接する第2の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する流量制御システムを備えている。

0013

本明細書では、第1の熱媒体および第2の熱媒体の一方を「温熱媒体」、他方を「冷熱媒体」と称する場合がある。「温熱媒体」または「冷熱媒体」における「温熱」および「冷熱」の語は、それぞれの媒体の具体的な温度の高低ではなく、これらの間の相対的な温度に差があることを表す。また、「媒体」は、典型的には、気体液体、またはこれらの混合体からなる流体である。「媒体」は、流体中に分散した粉末などの固体を含んでいても良い。

0014

本開示の実施形態において、熱発電システムの運転状況に関する情報は、熱発電システムの発電量を規定する電気的パラメータ(例えば電力、電圧、および電流の少なくとも1つ)を含み得る。これらのパラメータは、電圧計電流計などによって測定され得る。ある実施形態における流量制御システムは、第1の熱媒体および第2の熱媒体の少なくとも一方の流量が増加するほど発電量が増加する「非飽和領域」に流量を設定しても良い。上記の「情報」が発電量の低下を示す場合、熱発電ユニットを流れる第1の熱媒体および第2の熱媒体の少なくとも一方の流量を増加させるように構成されていても良い。非飽和領域の動作については、後述する。

0015

熱発電システムの運転状況に関する前記「情報」は、第1の熱媒体および第2の熱媒体の少なくとも一方の「温度」を含んでいてもよい。この温度は、温度計などの公知のセンサを熱媒体の流路の少なくとも1カ所に配置することによって測定され得る。流量制御システムは、この「情報」が第1の熱媒体と第2の熱媒体との間の温度差の低下を示す場合、熱発電ユニットを流れる第1の熱媒体および第2の熱媒体の少なくとも一方の前記流量を増加させるように構成されていても良い。

0016

ある実施形態において、熱発電システムは、第1の熱媒体の第1の供給源に第1の流路を介して接続され、かつ、第2の熱媒体の第2の供給源に第2の流路を介して接続され得る。このような場合、第1の供給源からの第1の熱媒体の供給量および第2の供給源からの第2の熱媒体の供給量の少なくとも一方は経時的に変動し得る。本開示の実施形態によれば、熱媒体の供給量に変動が生じ得る場合に特に有効である。

0017

本開示の実施形態における流量制御システムは、第1の流路に接続された第1の流量制御部を備え、第1の流量制御部は、第1の熱媒体を一時的に蓄えるように構成された第1の格納容器と、第1の格納容器内の第1の熱媒体が第1の格納容器から熱発電ユニットに流れる流量を設定範囲内に調整する第1の調整器とを有し得る。第1の格納容器は、第1の流路に対して直列または並列に接続され得る。

0018

本開示の実施形態における流量制御システムは、第2の流路に接続された第2の流量制御部を備え、第2の流量制御部は、第2の熱媒体を一時的に蓄えるように構成された第2の格納容器と、第2の格納容器内の第2の熱媒体が第2の格納容器から熱発電ユニットに流れる流量を設定範囲内に調整する第2の調整器とを有し得る。第2の格納容器は、第2の流路に対して直列または並列に接続され得る。

0019

熱発電システムの運転状況に関する前記情報は、第1の熱媒体の前記供給量および第2の熱媒体の前記供給量の少なくとも一方を含み得る。

0020

第1の流路および第2の流路の少なくとも一方は、供給源から出た熱媒体が供給源に戻るように構成された循環路であってもよい。

0021

<熱発電素子の基本構成と動作原理
本開示による熱発電システムの実施形態を説明する前に、この熱発電システムが備える各熱発電ユニットに使用される熱発電素子の基本構成と動作原理を説明する。後述するように、本開示の熱発電システムではチューブ状の熱発電素子が使用される。しかし、チューブ状の熱発電素子の動作原理は、より単純な形状を有する熱発電素子について説明することが可能であり、その方が理解しやすい。

0022

まず、図1Aおよび図1Bを参照する。図1Aは、概略的に直方体の形状を有する熱発電素子10の断面図であり、図1Bは熱発電素子10の上面図である。参考のため、図1Aおよび図1Bには、直交するX軸、Y軸、Z軸が示されている。図示されている熱発電素子10は、金属層20と熱電材料層22とが傾斜した状態で交互に積層された構造(積層体)を有している。この例において、積層体の形状は直方体であるが、他の形状であっても動作原理は同じである。

0023

図示されている熱発電素子10では、上記の積層体を左右から挟み込むように第1電極E1および第2電極E2が設けられている。図1Aに示される断面において、積層面はZ軸方向に対して角度θ(0<θ<πラジアン)だけ傾斜している。

0024

このような構成を有する熱発電素子10では、上面10aと下面10bとの間に温度差が与えられると、熱電材料層22よりも熱伝導性の高い金属層20を優先的に熱が伝達するため、各熱電材料層22の温度勾配にZ軸方向成分が生じる。このため、各熱電材料層22にはゼーベック効果によってZ軸方向の起電力が発生し、起電力が積層体内で直列的重畳される結果、全体として第1電極E1と第2電極E2との間に大きな電位差が発生する。図1Aおよび図1Bに示される積層体を有する熱発電素子は、特許文献2に開示されている。特許文献2の開示内容の全体を本願に援用する。

0025

図2は、熱発電素子10の上面10aに高温熱源120を接触させ、かつ、下面10bに低温熱源140を接触させた状態を示している。この状態では、高温熱源120から低温熱源140に熱発電素子10を介して熱Qが流れ、熱発電素子10から第1電極E1および第2電極E2を介して電力Pを取り出すことができる。大局的に見た場合、熱発電素子10では、温度勾配の方向(Y軸方向)と電流の方向(Z軸方向)とは直交しており、電力を取り出すための一対の電極E1、E2間に温度差を与える必要がない。なお、図2に示した例では、図の左側から右側に向かって電力Pが流れる様子を模式的に示している。しかしながら、これはあくまでも例示である。例えば、熱発電チューブTに使用される熱電材料の種類が変更されることによって、電力Pの流れ方向が図2とは反対になることもある。

0026

簡単のため、熱発電素子10の積層体の形状が直方体である場合を説明したが、以下の実施形態では、積層体がチューブ形状を有する熱発電素子を用いる。このようなチューブ状の熱発電素子を本明細書では「熱発電チューブ(Tubular Thermoelectric Generator)」と称する。なお、本明細書において、「チューブ」の用語は「パイプ」の用語とは区別されず、「チューブ」および「パイプ」の両方を含むように解釈される。

0027

<熱発電ユニットの概要
以下、本開示による熱発電システムが備える熱発電ユニットの概要を説明する。

0028

まず、図3Aおよび図3Bを参照する。図3Aは、熱発電チューブTの一例を示す斜視図である。熱発電チューブTは、中央に貫通孔を有する金属層20および熱電材料層22が傾斜した状態で交互に積層されたチューブ本体Tbと、一対の電極E1、E2とを備えている。このような熱発電チューブTを製造する方法は、例えば特許文献3に開示されている。特許文献3に開示されている方法によれば、底部に孔を有する金属カップと、同様に底部に孔を有する熱電材料カップとを交互に重ね合わせ、その状態でプラズマ焼結を行うことにより、両者を結合する。特許文献3の開示内容の全体を本願に援用する。

0029

図3Aの熱発電チューブTは、その内周面によって規定される内部の流路(以下、「内部流路」と称することがある。)を、例えば温熱媒体が流れるように配管に接続される。その場合、熱発電チューブTの外周面は冷熱媒体に接触させられる。こうして、熱発電チューブTの内周面と外周面との間に温度差が与えられることにより、一対の電極E1、E2の間に電位差が発生し、電力を取り出すことが可能になる。

0030

熱発電チューブTの形状は、チューブ状であれば良く、円筒に限定されない。言い換えると、熱発電チューブTの軸に対して垂直な面で熱発電チューブTを切断したとき、「外周面」および「内周面」の切断面上における形状は円である必要は無く、楕円多角形などの閉曲線であれば良い。また、熱発電チューブTの軸は、典型的には直線であるが、直線に限定されない。これらのことは、図1A図1Bおよび図2を参照しながら説明した熱発電の原理から明らかである。

0031

図3Bは、本開示による熱発電システムが備える例示的な熱発電ユニット100の概略構成を示す斜視図である。図3Bに示される熱発電ユニット100は、前述した熱発電チューブTを有している。図3Bの例では、容器30の内側に10本の熱発電チューブT1〜T10が収められている。10本の熱発電チューブT1〜T10は、典型的には、互いに略平行に配置されるが、配置の態様はこれに限定されない。

0032

図3Bに示されるように、熱発電ユニット100が、熱発電チューブTを内部に収容する容器30を有していても良い。熱発電ユニット100が複数の熱発電チューブTを有する場合、熱発電ユニット100は、熱発電チューブTを電気的に接続する複数の導電性部材Jを有し得る。

0033

熱発電チューブT1〜T10の各々は、前述したように、外周面および内周面と、内周面によって区画される内部流路とを有する。熱発電チューブT1〜T10の各々は、内周面と外周面との間の温度差によってそれぞれの軸方向に起電力を発生するように構成されている。すなわち、熱発電チューブT1〜T10の各々において、外周面と内周面との間に温度差を与えることにより、熱発電チューブT1〜T10から電力が取り出される。例えば、熱発電チューブT1〜T10の各々における内部流路に温熱媒体を接触させ、かつ、熱発電チューブT1〜T10の各々の外周面に冷熱媒体を接触させることにより、熱発電チューブT1〜T10から電力を取り出すことができる。また、逆に、熱発電チューブT1〜T10の各々における内周面に冷熱媒体を接触させ、かつ、外周面に温熱媒体を接触させても良い。

0034

図3Bに示す例では、容器30の内部において熱発電チューブT1〜T10の外周面に接する媒体と、各熱発電チューブT1〜T10の内部流路において各熱発電チューブT1〜T10の内周面に接する媒体とは、それぞれ別々の配管(不図示)を介して供給され、混ざり合わないように分離されている。

0035

図4は、熱発電チューブTの外周面と内周面との間に温度差を与えるための構成の例を示すブロック図である。図4に破線で示す矢印Hは、温熱媒体の流れを模式的に示し、実線で示す矢印Lは、冷熱媒体の流れを模式的に示している。図4に示した例では、温熱媒体および冷熱媒体が、ポンプP1およびP2によってそれぞれ循環する。例えば、熱発電チューブT1〜T10の各々の内部流路に温熱媒体が供給され、容器30の内部に冷熱媒体が供給される。図4では記載が省略されているが、温熱媒体には不図示の高温熱源(例えば熱交換器)から熱が供給され、冷熱媒体からは不図示の低温熱源に熱が供給される。高温熱源としては、従来、未利用のまま周囲環境に捨てられていた比較的低温(例えば200℃以下)の蒸気、温水、排気ガスなどを使用することができる。もちろん、より高温の熱源を用いても良い。

0036

図4に示す例では、温熱媒体および冷熱媒体が、それぞれ、ポンプP1およびP2によって循環しているが、本開示の熱発電システムは、そのような例に限定されない。温熱媒体および冷熱媒体の一方または両方が、循環系を構成することなく、各々の熱源から周囲環境に捨てられても良い。例えば、地中から湧き出した高温の温泉水が温熱媒体として熱発電ユニット100に与えられ、その後、温度が低下した温泉水として発電以外の用途に利用されたり、そのまま捨てられたりしても良い。冷熱媒体についても、地下水、川の水、海水が汲み上げられて熱発電ユニット100に与えられても良い。これらは、冷熱媒体として利用された後、必要に応じて適当な温度に低下され、元の水源に返されたり、周囲環境に捨てられたりしても良い。

0037

再び図3Bを参照する。図示されるように熱発電ユニット100が複数の熱発電チューブTを有する場合、複数の熱発電チューブTは、導電性部材Jを介して電気的に接続される。図3Bの例では、隣接して配置されている2本の熱発電チューブTが個々の導電性部材Jによって接続されている。全体として、複数の熱発電チューブTは電気的に直列に接続されている。例えば、図3Bにおいて最も手前に見える2本の熱発電チューブT3および熱発電チューブT4の右端部は、導電性部材J3によって相互に接続されている。一方、これら2本の熱発電チューブT3、T4の左端部は、それぞれ、導電性部材J2、J4によって他の熱発電チューブT2、T5に接続されている。

0038

図5は、熱発電チューブT1〜T10の電気的接続の例を模式的に示している。図5に示すように、導電性部材J1〜J9の各々は、2本の熱発電チューブを電気的に接続している。導電性部材J1〜J9は、全体として熱発電チューブT1〜T10を電気的に直列に接続するように配列されている。この例では、熱発電チューブT1〜T10および導電性部材J1〜J9から形成される回路は、一筆書き(traversable)である。この回路は、一部に並列的に接続された熱発電チューブを含んでいて良く、回路が一筆書きであることは必須ではない。

0039

図5の例では、例えば熱発電チューブT1から熱発電チューブT10に電流が流れる。電流は、熱発電チューブT10から熱発電チューブT1に流れても良い。この電流の向きは、熱発電チューブTに使用する熱電材料の種類、熱発電チューブTの内周面と外周面との間で生じる熱流の向き、熱発電チューブTにおける積層面の傾斜の方向などに依存して決まる。熱発電チューブT1〜T10の接続は、熱発電チューブT1〜T10の各々で生じた起電力が相殺されず、重畳されるように決定される。

0040

なお、熱発電チューブT1〜T10を流れる電流の向きと、熱発電チューブT1〜T10の内部流路を流れる媒体(温熱媒体または冷熱媒体)の流れ方向とは、相互に無関係である。例えば、図5の例では、熱発電チューブT1〜T10の内部流路を流れる媒体の流れ方向は、全てに共通して例えば図中の左側から右側であっても良い。

0041

<熱発電チューブTの構成の詳細>
次に、図6(a)および図6(b)を参照して、熱発電チューブTの構成の詳細を説明する。図6(a)は、熱発電システム100が備える熱発電チューブTのうちの1つ(ここでは熱発電チューブT1)を示す斜視図である。熱発電チューブT1は、チューブ本体Tb1と、チューブ本体Tb1の両端にそれぞれ設けられた第1電極E1および第2電極E2とを有する。チューブ本体Tb1は、金属層20と熱電材料層22とが交互に積層された構成を有する。本明細書では、第1電極E1と第2電極E2とを結ぶ直線の方向を「積層方向」と称する場合がある。この「積層方向」は熱発電チューブの軸方向に一致している。

0042

図6(b)は、熱発電チューブT1の軸(中心軸)を含む平面に沿って熱発電チューブT1を切断したときの断面を示す。図6(b)に示されるように、熱発電チューブT1は、外周面24および内周面26を有する。内周面26によって区画される領域が流路F1を形成している。図示されている例では、外周面24および内周面26は、それぞれ、軸方向に垂直な断面の形状が円であるが、これらの形状は前述したように、円に限定されず、楕円または多角形であっても良い。軸方向に垂直な面で切断したときの流路の断面積の大きさは、特に限定されない。熱発電チューブTの内部流路に供給される媒体の流量に応じて、流路の断面積または熱発電チューブの本数が適宜設定されれば良い。

0043

図示されている例において、第1電極E1および第2電極E2は、それぞれ、円筒形状を有しているが、第1電極E1および第2電極E2の形状はこれに限定されない。第1電極E1および第2電極E2は、それぞれ、チューブ本体Tb1の両端またはその近傍において、金属層20および熱電材料層22の少なくとも一方に電気的に接続され、かつ、流路F1を閉塞しない任意の形状を有し得る。図6の例では、第1電極E1および第2電極E2の外周面がチューブ本体Tb1の外周面24に整合しているが、第1電極E1および第2電極E2の外周面とチューブ本体Tb1の外周面24とが整合している必要はない。例えば、第1電極E1および第2電極E2の外周面の直径(外径)がチューブ本体Tb1の外周面24の直径(外径)よりも大きくても良いし、小さくても良い。また、軸方向に垂直な平面で切った第1電極E1および第2電極E2の断面形状が、軸方向に垂直な平面で切ったチューブ本体Tb1の外周面24の断面形状と異なっていても良い。

0044

第1電極E1および第2電極E2は、導電性を有する材料、典型的には金属から形成される。第1電極E1および第2電極E2は、チューブ本体Tb1の両端またはその近傍に位置する1個または複数の金属層20から構成されていても良い。その場合、チューブ本体Tb1の一部が第1電極E1および第2電極E2として機能することになる。あるいは、第1電極E1および第2電極E2は、チューブ本体Tb1の外周面の一部を覆うように設けられた金属層または輪帯状金属部材から形成されていても良いし、チューブ本体Tb1の内周面と接触するようにチューブ本体Tb1の両端から流路F1内に部分的に嵌め込まれた一対の円筒状金属部材であっても良い。

0045

金属層20および熱電材料層22は、図6(b)に示されるように、傾斜した状態で交互に積層されている。すなわち、熱発電チューブTの軸を含む断面において、金属層20と熱電材料層22とが交互に積層された積層体の積層面は、熱発電チューブTの軸方向に対して傾斜している。このような構成を有する熱発電チューブは、基本的には、図1および図2を参照しながら説明した原理と同様の原理で動作する。したがって、熱発電チューブT1の外周面24と、熱発電チューブの内周面26との間に温度差を与えると、第1電極E1と第2電極E2との間に電位差が生じる。このときの温度勾配の概略的な方向は、熱発電チューブT1の半径方向(積層方向に垂直な方向)である。

0046

チューブ本体Tb1における積層面の傾斜角度(以下、単に「傾斜角度」と称する。)θは、例えば、5°以上60°以下の範囲内に設定され得る。傾斜角度θは、20°以上45°以下であっても良い。傾斜角度θの適切な範囲は、金属層20を構成する材料と熱電材料層22を構成する熱電材料との組み合わせに依存して異なる。

0047

チューブ本体Tb1における金属層20の厚さと熱電材料層22の厚さとの比(以下、単に「積層比」と称する。)は、例えば、20:1〜1:9の範囲に設定され得る。ここで、金属層20の厚さは、積層面に垂直な方向における厚さ(図6(b)中、矢印Thで示す厚さ)を意味する。同様に、熱電材料層22の厚さは、積層面に垂直な方向における厚さを意味する。なお、金属層20および熱電材料層22の積層の総数は適宜設定され得る。

0048

金属層20は、任意の金属材料から形成され得、例えばニッケルまたはコバルトから形成され得る。ニッケルおよびコバルトは、高い熱発電特性を示す金属材料の例である。金属層20は、銀または金を含んでいても良い。金属層20は、これらの例示された金属材料を単独で含んでいても良いし、合金として含んでいても良い。金属層20が合金から形成される場合、この合金が、銅、クロムまたはアルミニウムを含んでいても良い。このような合金の例は、コンスタンタンクロメルまたはアルメルである。

0049

熱電材料層22は、使用温度に応じて任意の熱電材料から形成され得る。熱電材料層22に使用され得る熱電材料の例は、ビスマス、アンチモンなどの単元素からなる熱電材料、BiTe系、PbTe系、SiGe系などの合金系熱電材料、CaxCoO2、NaxCoO2、SrTiO3などの酸化物系熱電材料を含む。本明細書における「熱電材料」とは、絶対値が30μV/K以上のゼーベック係数を有し、かつ、電気抵抗率が10mΩcm以下の材料を意味する。このような熱電材料は、結晶でも、非晶質でも良い。温熱媒体の温度が200℃程度またはそれ以下である場合、熱電材料層22は、例えばビスマスアンチモンテルルの緻密体から形成され得る。ビスマスアンチモンテルルの代表的な化学組成は、Bi0.5Sb1.5Te3であるが、これに限定されない。ビスマスアンチモンテルルはセレンなどのドーパントを含んでいても良い。ビスマスとアンチモンの組成比は、適宜調整され得る。

0050

熱電材料層22を構成する熱電材料の他の例としては、テルル化ビスマステルル化鉛などが挙げられる。熱電材料層22がテルル化ビスマスから構成される場合、テルル化ビスマスの化学組成をBi2TeXと標記したとき、2<X<4であれば良い。代表的な化学組成は、Bi2Te3である。Bi2Te3は、アンチモンまたはセレンを含有し得る。アンチモンを含有するテルル化ビスマスの化学組成は(Bi1-YSbY)2TeXのように表される。このとき、0<Y<1であれば良く、0.6<Y<0.9であるとより好ましい。

0051

第1電極E1および第2電極E2を構成する材料は、導電性に優れる材料であれば任意である。第1電極E1および第2電極E2は、銅、銀、モリブデンタングステン、アルミニウム、チタン、クロム、金、白金インジウムなどの金属から形成され得る。あるいは、窒化チタン(TiN)、スズ添加酸化インジウム(ITO)、酸化スズ(SnO2)などの窒化物または酸化物から形成されても良い。ハンダ銀ロウ導電性ペーストなどから第1電極E1または第2電極E2を形成しても良い。なお、チューブ本体Tb1の両端が金属層20である場合、前述したように、第1電極E1および第2電極E2は、金属層20で代用され得る。

0052

本明細書では、熱発電チューブの典型例として、金属層と熱発電材料層とが交互に積層された構成を備える素子を説明したが、本開示に使用され得る熱発電チューブの構造は、このような例に限定されない。相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第1の材料から形成された第1の層と、相対的にゼーベック係数が高く熱伝導率が低い第2の材料から形成された第2の層とを積層すれば、上述した熱発電は可能である。金属層20および熱電材料層22は、それぞれ、上記の第1の層および第2の層の例である。

0053

<熱発電ユニットの一態様>
次に、図7を参照する。図7(a)は、本開示の熱発電システムが備える熱発電ユニットの一態様を示す正面図であり、図7(b)は、熱発電ユニット100の側面のうちの一つを示す図(ここでは右側面図)である。図7(a)に示されるように、この態様における熱発電ユニット100は、並列に配置された複数の熱発電チューブTと、複数の熱発電チューブTを内部に収容する容器30とを備えている。このような構造は、一見したところ、熱交換器の「シェルアンドチューブ構造」に似ている。しかしながら、熱交換器では、複数のチューブは単に流体を流す管路として機能するだけであり、電気的接続は不要である。

0054

図4を参照しながら説明したように、熱発電ユニット100には、温熱媒体および冷熱媒体が供給される。例えば、複数の開口部Aを介して、熱発電チューブT1〜T10の各々の内部流路に温熱媒体が供給される。一方、容器30の内部には、後述する流体入口38aを介して冷熱媒体が供給される。これにより、熱発電チューブTの外周面と内周面との間に温度差が与えられる。このとき、熱発電ユニット100において、温熱媒体と冷熱媒体との間の熱交換が行われるとともに、熱発電チューブT1〜T10の各々において、それぞれの軸方向に起電力が発生する。このように、本開示の熱発電システムの熱発電ユニットは、相互に温度が異なる第1および第2の熱媒体を用いて熱発電を行う。

0055

本実施形態における容器30は、熱発電チューブTを取り囲む筒状の胴部(シェル)32と、胴部32の開放された両端を塞ぐように設けられた一対のプレート34、36とを有している。より詳細には、プレート34は胴部32の左端に固定され、プレート36は胴部32の右端に固定されている。プレート34および36には、各々に各熱発電チューブTが挿入される複数の開口部Aが設けられており、プレート34、36の対応する一対の開口部Aには、それぞれ、熱発電チューブTの両端部が挿入されている。

0056

このプレート34、36は、シェル・アンド・チューブ型熱交換器における管板チューブシート)と同様に、複数のチューブ(熱発電チューブT)を空間的に分離した状態で支持する機能を有している。しかし、本実施形態におけるプレート34、36は、後に詳しく説明するように、熱交換器の管板には無い電気的接続機能を有している。

0057

図7(a)に示されている例において、プレート34は、胴部32に固定された第1プレート部分34aと、第1プレート部分34aに対して脱着可能に取り付けられた第2プレート部分34bとを有している。同様に、プレート36は、胴部32に固定された第1プレート部分36aと、第1プレート部分36aに対して脱着可能に取り付けられた第2プレート部分36bを有している。プレート34および36に設けられた開口部Aは、それぞれ、第1プレート部分34a、36aおよび第2プレート部分34b、36bを貫通し、各熱発電チューブTの流路を容器30の外部に開放している。

0058

容器30を構成する材料の例は、ステンレス鋼ハステロイ登録商標)、インコネル(登録商標)などの金属である。容器30を構成する材料の他の例は、塩化ビニル樹脂アクリル樹脂などである。胴部32およびプレート34、36は、同一の材料から形成されていても良いし、異なる材料から形成されていても良い。胴部32および第1プレート部分34a、36aが金属から形成されている場合、第1プレート部分34a、36aは、例えば溶接により胴部32に固定される。胴部32の両端にフランジが設けられている場合、このフランジに第1プレート部分34a、36aが固定されていても良い。

0059

動作時、容器30の内部には流体(冷熱媒体または温熱媒体)が導入されるため、容器30の内部は気密または水密が保たれる必要がある。後述するように、プレート34、36の開口部Aでは、熱発電チューブTの端部が挿入された状態で気密または水密を保つためのシールが実現される。胴部32とプレート34、36との間で隙間はなく、動作時には気密または水密が保たれる構造が実現される。

0060

図7(b)に示されるように、プレート36には10個の開口部Aが設けられている。同様に、プレート34にも10個の開口部Aが設けられている。図7に示される例において、プレート34の開口部Aとプレート36の開口部Aとは鏡面対称配置関係にあり、対応する一対の開口部Aの中心点を結ぶ10本の直線は互いに平行である。このような構成によれば、対応する一対の開口部Aによって各熱発電チューブTが平行に支持され得る。容器30内において、複数の熱発電チューブTは平行の関係にある必要はなく、「非平行」または「ねじれ」の関係にあっても良い。

0061

プレート36は、図7(b)に示されるように、プレート36に設けられた開口部Aのうちの少なくとも2つを相互に連結するように形成されたチャネル(以下、「連結溝」と称することがある)Cを有する。図7(b)に示す例では、チャネルC61は、開口部A61と開口部A62とを相互に連結している。他のチャネルC62〜C65についても同様に、プレート36に設けられた開口部Aのうちの2つを相互に連結している。後述するように、チャネルC61〜C65の各々には、導電性部材が収容される。

0062

図8は、図7(b)のM−M断面の一部を示す。なお、図8では、胴部の30の下半分における断面は示されておらず、その正面が示されている。図8に示されるように、容器30は、その内部に流体を流すための流体入口38aおよび流体出口38bを有している。熱発電ユニット100では、流体入口38aおよび流体出口38bが、容器30の上部に配置されている。流体入口38aの配置は、容器30の上部に限定されず、流体入口38aが、例えば容器30の下部に配置されても良い。流体出口38bも同様である。流体入口38aおよび流体出口38bは、それぞれ、流体の入口および出口として固定して使用される必要はなく、流体の入口および出口が定期的または不定期的反転して用いられても良い。流体の流れ方向が固定されている必要はない。また、流体入口38aおよび流体出口38bの各々の個数は1個に限定されず、流体入口38aおよび流体出口38bの一方または両方が複数であっても良い。

0063

図9は、熱発電ユニット100に導入された温熱媒体および冷熱媒体の流れ方向の例を模式的に示す図である。図9の例では、熱発電チューブT1〜T10の各々の内部流路に温熱媒体HMが供給されており、容器30の内部に冷熱媒体LMが供給されている。この場合、プレート34に設けられた開口部Aを介して、各熱発電チューブの内部流路に温熱媒体HMが導入される。各熱発電チューブの内部流路に導入された温熱媒体HMは、各熱発電チューブの内周面と接触する。一方、流体入口38aから容器30の内部に冷熱媒体LMが導入される。容器30の内部に導入された冷熱媒体LMは、各熱発電チューブの外周面と接触する。

0064

図9に示した例では、温熱媒体HMは、各熱発電チューブの内部流路を流れる間に、冷熱媒体LMと熱の交換を行う。冷熱媒体LMと熱の交換を行い、温度の低下した温熱媒体HMは、プレート36に設けられた開口部Aを介して熱発電ユニット100の外部に排出される。一方、冷熱媒体LMは、容器30の内部を流れる間に、温熱媒体HMと熱の交換を行う。温熱媒体HMと熱の交換を行い、温度の上昇した冷熱媒体LMは、流体出口38bから熱発電ユニット100の外部に排出される。なお、図9に示した温熱媒体HMの流れ方向および冷熱媒体LMの流れ方向は、あくまでも例である。温熱媒体HMおよび冷熱媒体LMのいずれか一方またはこれらの両方が、図の右側から左側に向かって流れていても良い。

0065

ある態様では、熱発電チューブTの流路に温熱媒体HM(例えば温水)を導入し、かつ、流体入口38aから冷熱媒体LM(例えば冷却水)を導入して容器30の内部を冷熱媒体LMで満たすことができる。逆に、熱発電チューブTの流路には冷熱媒体LM(例えば冷却水)を導入し、かつ、流体入口38aから温熱媒体HM(例えば温水)を導入して容器30の内部を温熱媒体HMで満たしても良い。こうして、熱発電チューブTの各々における外周面24と内周面26との間に発電に必要な温度差を与えることができる。

0066

<熱発電チューブの特性>
次に、図10および図11を参照して、本開示の実施形態による熱発電チューブにおける起電力と熱媒体の流量との関係を説明する。

0067

図10は、熱発電ユニットを流れる温熱媒体(温度T)の流量Lと熱発電チューブの起電力Vとの関係を示すグラフである。このグラフには、温熱媒体(温度T)の流量Lと熱発電チューブの起電力Vとの関係の典型例を示す曲線1000と、従来のπ型熱発電素子における温熱媒体の流量Lと起電力Vとの関係の典型例を示す曲線1002が記載されている。

0068

図10に示されるように、熱発電チューブの動作は、流量Lに応じて起電力Vがほとんど変化しない「飽和領域」のモードと、流量Lに応じて起電力Vが直線的に変化する「非飽和領域」のモードとに分かれる。非飽和領域のモードにおいて、例えば、流量がL0のときの起電力はV0であるが、流量がL0からL1に増加したら、起電力はV0からV1に増加する。流量Lの増分をΔL、起電力Vの増分をΔVとすると、飽和領域でのΔV/ΔLは、非飽和領域でのΔV/ΔLに比べて十分に小さい。非飽和領域と飽和領域との境界を明確に決定することは難しい。ΔV/ΔLが例えば0.1[V・min/L(ボルト・分/リットル)]未満となるような流量Lの範囲を「飽和領域」と定義しても良い。

0069

一方、曲線1002で示されるように、従来のπ型熱発電素子における起電力Vの流量依存性は小さい。言い換えると、π型熱発電素子は「飽和領域」のモードで動作し、事実上、「非飽和領域」のモードでは動作しない。このような動作モードの相違が生じる理由については、後に詳しく説明する。

0070

次に図11を参照する。図11のグラフには、同一の熱発電チューブについて、温熱媒体の温度がT0の場合における起電力Vと流量Lとの典型例を示す曲線、および、温熱媒体の温度がTLの場合における起電力Vと流量Lとの関係の典型例を示す曲線が記載されている。この図から分かるように、流量がL0の状態で温熱媒体の温度がT0からTLに低下すると、起電力はV0からV2に低下する。図の例では、温熱媒体の温度がTLのまま、流量をL0からLL0に増加させると、起電力はV2からV0に増加する。非飽和領域のモードでは、温熱媒体の流量Lを調整することにより、熱発電チューブの起電力Vを目標値に維持するように制御することが可能になる。なお、温熱媒体の流量を調整する代わりに、または温熱媒体の流量を調整するとともに、冷熱媒体の流量を調整することによっても熱発電チューブの起電力Vを目標値に維持するように制御することも可能である。

0071

なお、熱発電チューブを飽和領域のモードで動作させると、温熱媒体または冷熱媒体の流量が変化しても、起電力Vの変動は小さい。このため、温熱媒体または冷熱媒体の供給源から十分な流量で熱媒体が供給される場合は、熱媒体の流量の変動が発電量に影響しにくい飽和領域で熱発電チューブを動作させれば、発電量を安定させやすい。

0072

本開示の実施形態における熱発電チューブは、飽和領域のモードのみならず、従来のπ型熱発電素子では実現が困難であった非飽和領域のモードにおける動作も可能になる。以下、この理由を説明する。

0073

まず、図12Aおよび図12Bを参照する。これらの図は、温熱媒体、熱発電チューブの熱電材料の部分、および冷熱媒体の温度分布を模式的に示している。図において、横軸は熱発電チューブの中心を原点とする半径方向位置であり、縦軸は温度である。熱発電チューブの本体の内周面および外周面は、それぞれ、r1およびr2の半径方向位置にある。半径方向位置r1〜r2の範囲が熱発電チューブの本体における熱電材料の部分に対応している。なお、図12Aおよび図12Bは、それぞれ、温熱媒体の流量が小さい場合および大きい場合の温度分布の例を示している。

0074

これらの図において、温熱媒体の温度は近似的にTHW、冷熱媒体の温度は近似的にTCWで示されている。温熱媒体のうちで熱発電チューブの本体の内周面に接する薄い領域(高温側界面領域)では、温熱媒体の温度が、熱発電チューブの本体に近づくに従ってTHWから低下している。一方、冷熱媒体のうちで熱発電チューブの本体の外周面に接する薄い領域(低温側界面領域)では、冷熱媒体の温度が、熱発電チューブの本体に近づくに従ってTCWから上昇している。熱発電チューブの内周面と外周面との間に生じている温度差は、ΔTで示される。起電力および発電電力(以下、「発電量」と称する)は、温度差ΔTが大きくなるほど増大する。

0075

熱は、温熱媒体の高温部分から、高温側界面領域、熱発電チューブ本体、および低温側界面領域を介して、冷熱媒体の低温部分に流れる。この熱の流れについて「熱抵抗」を考えることができる。熱抵抗は、電流に対する抵抗に対応しており、熱抵抗を有する部分で温度降下(電圧降下に対応する)が発生する。本明細書において、高温側界面領域、熱発電チューブ本体、および低温側界面領域の熱抵抗を、それぞれ、RH、RD、およびRCとする。このとき、ΔTは、以下の式によって表される。

0076

本開示の実施形態における熱発電チューブでは、熱伝導率の高い第1の材料から形成された第1の層(ここでは金属層)が軸方向に対して傾斜した状態で配置されている。そのため、熱発電チューブの半径方向に熱を伝達させやすく、熱発電チューブ本体の熱抵抗RDは、従来のπ型熱発電素子に比べて低い。

0077

ここで、高温側界面領域の熱抵抗RHは、温熱媒体の流量が大きくなるほど、低下する。同様に、低温側界面領域の熱抵抗RCは、温熱媒体の流量が大きくなるほど、低下する。なお、熱発電チューブ本体の熱抵抗RDは、温熱媒体および冷熱媒体の流量には依存しない。

0078

上記の式からわかるように、温熱媒体および冷熱媒体の流量を増加させることによって熱抵抗RHおよびRCを小さくすると、ΔTは、THW−TCWに近づく。このことは、熱抵抗RHおよびRCが小さくなるほど、高温側界面領域および低温側界面領域における温度変化が小さくなることを意味している。

0079

図12Aに示される温度分布と、図12Bに示される温度分布との間にある相違点は、高温側界面領域における温度変化の程度の差である。高温側界面領域の温度変化は、図12Aの例では相対的に大きく、図12Bの例で相対的に小さい。このことは、温熱媒体の流量増加が高温側界面領域の熱抵抗RHを低下させ、それによってΔTを増加させてTHW−TCWに近づけることを意味している。例えば、図10に示される例では、流量がL0からL1に増加すると、熱抵抗RHが低下し、ΔTが増加する結果、起電力がV0からV1に増加することになる。

0080

同様のことは冷熱媒体の流量を増加させても生じる。また、温熱媒体および冷熱媒体の両方の流量を増加させたとき、ΔTの増加はより顕著に生じる。ただし、流量をいくら大きくしても、ΔTがTHW−TCWを超えて増加することはない。このことは、起電力Vと流量Lとの関係における飽和性に相当する。すなわち、起電力Vの飽和レベルは、ΔTがTHW−TCWに等しいときに得られる起電力の大きさである。

0081

次に、図10の曲線1002で示されるように、従来のπ型熱発電素子における起電力Vと温熱媒体の流量Lとの関係が流量に対して実質的に飽和している理由を説明する。

0082

図13Aおよび図13Bは、それぞれ、従来のπ型熱発電素子における温熱媒体の流量が小さい場合および大きい場合の例を示している。π型熱発電素子の温度分布において、グラフの横軸は「半径方向位置」ではなく、単なる距離である。ただし、図12Aおよび図12Bと比較しやすいように、同一の記号r1、r2を用いて位置を示している。

0083

従来のπ型熱発電素子では、熱電材料の熱抵抗RDが、高温側界面領域の熱抵抗RHおよび低温側界面領域の熱抵抗RCに比べて充分に大きい。このため、熱が温熱媒体から冷熱媒体に流れるときの温度変化は、相対的に熱抵抗が高い熱電材料で大きくなる。言い換えると、流量の大小によらず、ΔTはTHW−TCWに近い値を示す。

0084

前述の式は、以下の式に変形される。

0085

従来のπ型熱発電素子では、素子構造の熱抵抗RDが大きいため、熱媒体の流量によらず、上記の式の右辺にある分数分母は1に近い値を示す。また、高温側界面領域の熱抵抗RHおよび低温側界面領域の熱抵抗RCの流量による変化はΔTに大きな変化を与えない。図13Aおよび図13Bから分かるように、ΔTは、流量が小さいときでもTHW−TCWに近い値を示し、ΔTの流量依存性は小さい。このため、図10の曲線1002で表される特性が得られる。

0086

なお、起電力とΔTとの関係は、例えば図14で示される。熱発電チューブを流れる電流と熱発電チューブの両端の電位差との関係は、図15の直線で示され、発電量の電位差依存性は、放物線で表される。熱発電チューブの発電効率最大化するには、熱発電チューブに接続される外部の負荷回路によって熱発電チューブを流れる電流を調整すればよい。

0087

<熱発電システムの発電量の変動>
上述の説明から明らかなように、本開示の実施形態における熱発電チューブは、従来のπ型熱発電素子に比べて熱抵抗RDが低いため、非飽和領域のモードで動作することが可能になる。非飽和領域のモードで動作する場合、発電量は、温熱媒体または冷熱媒体の流量変動に依存して変化しやすい。そのため、本開示の実施形態における熱発電システムに供給される媒体の流量が低下した場合、発電量が大きく変化する可能性がある。図14が示すように、起電力はΔTの変化に敏感である。このため、流量が少し低下しただけでも、発電量が大きく低下することが起こり得る。

0088

ある実施形態において、本開示の熱発電システムは、第1の熱媒体の第1の供給源に第1の流路を介して接続され、かつ、第2の熱媒体の第2の供給源に第2の流路を介して接続され得る。第1の供給源からの第1の熱媒体の供給量および第2の供給源からの第2の熱媒体の供給量の少なくとも一方が経時的に変動し得る。このような実施形態において、供給量の変動は、そのままでは、熱発電ユニットを流れる第1または第2の熱媒体の流量の変動を引き起こす。

0089

図16は、熱発電ユニットを流れる温熱媒体の流量の経時的な変動の様子を模式的に示している。図10に示されるように、非飽和領域のモードで動作しているとき、流量Lの変動は起電力Vの変動を引き起こす。また、飽和領域のモードで動作しているときでも、流量の大幅な低下は、起電力の大幅な低下を引き起こし得る。

0090

図17は、熱発電ユニットを流れる温熱媒体の流量の経時的な変動に応じて発電量が大きく変動する様子(破線の曲線)を示している。なお、温熱媒体または冷熱媒体の流量が経時的に変動する場合として、以下の場面が想定される。例えば、本開示の実施形態による熱発電システムが温熱媒体として温泉水を利用する場合、温泉水の湧出量の変動によって、熱発電システムに利用できる温泉水の流量は、一日の中でも大きく変動し得る。また、本開示の実施形態による熱発電システムが、工場から排出される高温の排水を利用するような場合においても、昼間と夜間との工場稼働率の相違から、熱発電システムに利用できる排水の流量は、大きく変動し得る。

0091

本開示の実施形態による熱発電システムでは、図17における実線の曲線で示されるように、発電量の変動を抑制することが可能になる。すなわち、本開示の実施形態による熱発電システムによれば、例えば温泉水、工場の排水などのように、一日の中で流量が大きく変動し得る媒体を利用する場合であっても、媒体の流量の変動に伴う発電量の変動を抑制することが可能となる。

0092

<熱発電システムの流量制御>
図18Aは、本開示の実施形態における熱発電システムの構成例を示すブロック図である。

0093

図示される例における熱発電システム200は、相互に温度が異なる第1の熱媒体および第2の熱媒体を用いて熱発電を行う熱発電ユニット100を備えている。熱発電ユニット100は、前述した構成を有する熱発電チューブを備えている。

0094

熱発電システム200は、第1の熱媒体の第1の供給源510に第1の流路を介して接続され、かつ、第2の熱媒体の第2の供給源520に第2の流路を介して接続されている。第1の供給源510からの第1の熱媒体の供給量および第2の供給源520からの第2の熱媒体の供給量の少なくとも一方が経時的に変動し得る。この熱発電システム200は、熱発電システム200の運転状況に関する「情報」に応じて、第1の熱媒体および第2の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する流量制御システム500を備えている。図示されている例では、第1の流量制御部512が例えば熱発電チューブTの流路を流れる第1の熱媒体の流量を調整し、第2の流量制御部522が熱発電ユニット100の外周面に接する第2の熱媒体の流量を調整する。

0095

流量制御システム500は、熱発電システム200の運転状況に関する「情報」を受け取り、この「情報」に応じて流量制御部512、522の動作を制御するように構成された信号処理回路またコンピュータを含み得る。また、流量制御システム500は、流量の制御に必要なプログラムデータベースを格納した記憶装置を含み得る。なお、データベースは、熱発電システム200の外部に設けられていてもよい。その場合、データベースは不図示のデジタルネットワークを介して流量制御システム500に接続され得る。このように、流量制御システム500は、ハードウェアおよびソフトウェア組合せ、またはハードウェアによって実現され得る。

0096

流量制御部512、522の動作は、設定された目標発電量に応じて制御されても良い。

0097

図18Bは、本開示の実施形態における熱発電システムの他の構成例を示すブロック図である。図18Bに示されるように、熱発電システム200が、目標発電量を取得するように構成された目標発電量取得部528を更に備えていても良い。

0098

図示されている例では、流量制御システム500は、目標発電量に応じて、第1の熱媒体および第2の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する。例えば、流量制御システム500は、熱発電ユニットの発電量が、設定された目標発電量から大きく外れないように流量制御部512、522の動作を制御する。このとき、熱発電ユニットの発電量が、熱発電システム200の運転状況に関する「情報」として利用されても良い。

0099

流量制御システム500は、目標発電量を保持する記憶装置を含み得る。また、流量制御システム500は、目標発電量取得部528から目標発電量を受け取り、受け取った目標発電量に応じて流量制御部512、522の動作を制御するように構成された信号処理回路またコンピュータを含み得る。目標発電量は、固定された値ではなく、必要に応じて変更(更新)される。

0100

目標発電量は、有線または無線の方式によって発電量取得部528に取得される。したがって、目標発電量取得部528は、インターフェイスを含み得る。目標発電量取得部528は、取得された目標発電量を保持する記憶装置などを含んでいても良い。目標発電量取得部528は、スマートフォンなどの外部情報端末からの情報を受け取るように構成されていても良いし、タッチパネルなどの入力デバイスを含んでいても良い。

0101

目標発電量は、熱発電システム200の所有者、熱発電システム200のメンテナンス業者電力事業者などによって入力される。例えば熱発電システム200の所有者は、所望する発電量を目標発電量として目標発電量取得部528に入力する。目標発電量は、例えばスマートグリッドを介して電力事業者から入力されても良い。

0102

なお、1つの熱発電システム200が複数の熱発電ユニット100を有する場合、1つの流量制御システム500が複数の熱発電ユニット100を流れる熱媒体の流量を制御しても良いし、複数の流量制御システム500が、独立的にまたは連携して、複数の熱発電ユニット100を流れる熱媒体の流量を制御しても良い。

0103

次に、図19を参照して、熱発電システム200の第1の基本構成例を説明する。

0104

図19の熱発電システム200は、温水供給源514および冷水供給源524に接続されている。温水供給源514と熱発電ユニット100との間には、第1流量計532、流量制御部530、および第2流量計534が設けられている。第1流量計532、流量制御部530、および第2流量計534によって、前述した流量制御システム500が構成されている。

0105

第1流量計532は、温水供給源514から流量制御部530に流れる温水の流量を検出する。第2流量計534は、流量制御部530から熱発電ユニット100に流れる温水の流量を検出する。流量制御部530は、流量制御部530から熱発電ユニット100に流れる温水の流量が設定値に保持されるように、温水の流量を調整する。具体的には、温水供給源514から流量制御部530に流れる温水の流量が変動しても、流量制御部530から熱発電ユニット100に流れる温水の流量の変動を抑制するように流量制御部530は構成されている。流量制御部530の具体的な構成例は後述する。熱発電ユニット100を通過した温水は、不図示の温水利用機器に供給されても良いし、そのまま排水されても良い。また、温水供給源514に戻され、熱源によって加熱されて温水として循環するように構成されていても良い。同様に、熱発電ユニット100を通過した冷水は、不図示の冷水利用機器に供給されても良いし、そのまま排水されても良い。また、冷水供給源524に戻され、冷熱源によって冷やされて冷水として循環するように構成されていても良い。流路上にバルブおよび/または逆止弁が設けられていても良いし、不図示の流路(分岐路バイパス路など)が接続されていても良い。これらの点は、後述する熱発電システム200の他の基本構成例でも同様である。

0106

次に、図20を参照して、熱発電システム200の第2の基本構成例を説明する。

0107

図20の熱発電システム200も、温水供給源514および冷水供給源524に接続されている。冷水供給源524と熱発電ユニット100との間には、第3流量計536、流量制御部530、および第4流量計538が設けられている。第3流量計536、流量制御部530、および第4流量計538によって、前述した流量制御システム500が構成されている。

0108

第3流量計536は、冷水供給源524から流量制御部530に流れる冷水の流量を検出する。第4流量計538は、流量制御部530から熱発電ユニット100に流れる冷水の流量を検出する。流量制御部530は、流量制御部530から熱発電ユニット100に流れる冷水の流量が設定値に保持されるように、冷水の流量を調整する。具体的には、冷水供給源524から流量制御部530に流れる冷水の流量が変動しても、流量制御部530から熱発電ユニット100に流れる冷水の流量の変動を抑制するように流量制御部530は構成されている。

0109

次に、図21を参照して、熱発電システム200の第3の基本構成例を説明する。

0110

図21の熱発電システム200も、温水供給源514および冷水供給源524に接続されている。温水供給源514と熱発電ユニット100との間には、第1流量計532、流量制御部530a、および第2流量計534が設けられている。また、冷水供給源524と熱発電ユニット100との間には、第3流量計536、流量制御部530b、および第4流量計538が設けられている。第1流量計532、流量制御部530a、第2流量計534、第3流量計536、流量制御部530b、および第4流量計538によって、前述した流量制御システム500が構成されている。この例における流量制御部500の動作は、熱発電システム200の第1および第2の基本構成例について説明したことから明らかであるので、ここで説明は繰り返さない。

0111

次に、図22図27を参照して流量制御部530の構成例を説明する。

0112

まず、図22を参照する。図示されている流量制御部530は、熱媒体を一時的に貯めるタンク540と、タンク540から熱媒体を所定の流量で送り出す流量可変バルブ550とを有している。流量可変バルブ550の例は、比例電磁バルブ開度可変ゲートバルブを含み得る。タンク540は、第1または第2の熱媒体を一時的に蓄えるように構成された格納容器として機能する。また、流量可変バルブ550は、タンク540内の熱媒体がタンク540から熱発電ユニット100に流れる流量を設定範囲内に調整する調整器として機能する。

0113

このように、流量制御部530に流入した熱媒体を一時的にタンク540に貯めることにより、熱発電ユニット100に供給する熱媒体の流量を、流量制御部530に流入する熱媒体の流量とは異なる値に調整することができる。熱発電ユニット100に供給する熱媒体の流量は、熱発電システム200の運転状況に関する「情報」に応じて制御され得る。この「情報」は、ある実施形態では、熱発電システム200の発電量(電力、電圧、および電流の少なくとも1つ)、熱媒体の温度、および熱媒体の流量の少なくとも1つを含み得る。熱発電ユニット100に供給する熱媒体の流量は、設定された目標発電量に応じて制御されても良い。もちろん、熱発電システム200の運転状況に関する「情報」および設定された目標発電量の両方が、熱発電ユニット100に供給する熱媒体の流量の制御に利用されても良い。

0114

タンク540の容量は、流量制御部530に流入する熱媒体の流量が一時的に減少しても、流量制御部530から出て熱発電ユニット100に流入する熱媒体の流量を目標範囲内に維持することができるように決定され得る。ここで、簡単な例として、熱媒体の供給源から流量制御部530に流入する熱媒体の流量の平均値をL0、熱発電ユニット100に流入する熱媒体の流量の目標値をL0とする場合を考える。この場合において、例えば熱媒体の供給源から流量制御部530に流入する熱媒体の流量が一時的にΔLだけ減少し、その減少期間がΔtであると見積もられているとする。流量の単位は[L/min(リットル/分)]、減少期間の単位は[min(分)]である。タンク540の容量は、例えばΔL×Δt[L]以上に設定され得る。タンク530にΔL×Δt[L]以上の熱媒体が蓄えられていれば、Δtの期間、流量制御部530に流入する熱媒体の流量が平均してΔL低下したとしても、その間、熱発電ユニット100に流入する熱媒体の流量を目標値L0から低下させる必要はない。

0115

タンク540の容量は、熱媒体の供給源から熱発電システム200に供給される熱媒体の流量変動の実験的なデータに基づいて見積もられ得る。例えば、図18Aに示される第1の熱媒体供給源510から熱発電システム200に供給される第1の熱媒体の流量の経時的な変動を前もって測定し、その経時的な変動のパターンに基づいてΔL×Δtの値を決定すればよい。

0116

タンク540の容量が大きくなるほど、タンク540の断熱性および保温性が重要になる。タンク540は、断熱材によって形成され得る。また、タンク540の内部には温度計などのセンサが備えられ得る。このようなセンサによってタンク540内の熱媒体の温度を検知すれば、その検知温度と、熱発電ユニット100に流入する熱媒体の設定温度との差異が求められ得る。この差異が、予め決められた範囲(設定範囲)を超えて大きくなると、タンク540内の熱媒体の一部を熱媒体の供給源に戻す構成を採用してもよい。

0117

また、タンク540への貯水を開始したとき(起動時)など、温度差が上記の設定範囲内に収まるまで、タンク540の貯水と排水を繰り返してもよい。

0118

ある実施形態における熱発電システム200は、運転条件(流量、温度)に対する電力出力に関するデータベースを有している。電力、電圧、電流、熱媒体の流量、熱媒体の温度などのパラメータのいずれか1つまたは複数の実測値に基づいて、このデータベースを参照すれば、最適な運転条件を求め、流量を制御することが可能になる。

0119

次に、流量制御部530の他の構成例を説明する。

0120

図23の例では、補助ポンプ560とバイパス流路565aとがタンク540の出力部に対して並列に接続されている。図示する例において、通常、補助ポンプ560は起動されておらず、補助ポンプ560側の流路は閉じられている。すなわち、熱発電ユニット100に流入する熱媒体の流量は、バイパス流路565aに設けられた流量可変バルブ(不図示)により調整される。補助ポンプ560は、バイパス流路565aに設けられた流量可変バルブを全開にしても熱発電ユニット100に流入する熱媒体の流量が目標値に満たない場合に起動される。これにより、タンク540から熱発電ユニット100に供給される熱媒体の流量を増加させることができる。

0121

図24の例では、流量可変ポンプ560がタンク540の出力部に対して直列に接続されている。流量可変ポンプ560の働きにより、タンク540から熱発電ユニット100に供給される熱媒体の流量を調整できる。

0122

図25の例では、開度を変化させることができる三方弁570によって分岐したバイパス流路565bの途中にタンク540が接続されている。三方弁570の働きを調整することにより、流量制御部530に流入する熱媒体の流量を熱発電ユニット100およびタンク540に分配することができる。流量制御部530に流入する熱媒体の流量が、熱発電ユニット100に供給する熱媒体の目標流量に比べて多いとき、余分の熱媒体をタンク540に送ることができる。逆に、流量制御部530に流入する熱媒体の流量が、熱発電ユニット100に供給する熱媒体の目標流量に比べて少ないときは、タンク540から熱媒体を加えて熱発電ユニット100に供給する。タンク540の出力部を熱発電ユニット100に接続するバイパス流路565bには、タンク540から流れ出る熱媒体の流量を調整するためのバルブやポンプが設けられ得る。なお、三方弁570は、2個のバルブによって代用可能である。2個のバルブの開閉を時間的に切り替えることにより、三方弁570と同様の機能を発揮させることができる。図26は、図25の構成において、補助ポンプ560とバイパス流路565bとがタンク540の出力部に対して並列に接続されている例を示している。また、図27は、図26の例における補助ポンプ560に代えて流量可変ポンプ580がタンク540の出力部に接続されている例を示している。

0123

上述したように、タンク540の接続形態は多様であり得る。重要な点は、熱発電ユニット100に供給される熱媒体の流量を調整するに際して、タンク540に一時的に蓄えられた熱媒体を利用することにあり、接続の具体的構成は任意である。

0124

以下、熱発電ユニットの具体的構成例の詳細を説明する。

0125

<流体に対するシールおよび熱発電チューブ間の電気的接続の態様>
図28(a)は、プレート36の一部の断面を示す図である。図28(a)は、熱発電チューブT1および熱発電チューブT2の両方の中心軸を含む平面で切断したときの断面を模式的に示している。図28(a)には、プレート36が有する複数の開口部Aのうち、2個の開口部A61、A62およびその近傍の構造が示されている。図28(b)は、図28(a)において矢印V1で示す方向から見たときの導電性部材J1の外観を示す。この導電性部材J1は、2つの貫通孔Jh1、Jh2を有している。より詳細には、導電性部材J1は、貫通孔Jh1を有する第1リング部分Jr1と、貫通孔Jh2を有する第2リング部分Jr2と、これらのリング部分Jr1、Jr2とを接続する連結部Jcとを有している。

0126

プレート36の開口部A61には、図28(a)に示されるように、熱発電チューブT1の端部(第2電極側)が挿入されており、開口部A62には、熱発電チューブT2の端部(第1電極側)が挿入されている。この状態において、導電性部材J1の貫通孔Jh1およびJh2には、それぞれ、熱発電チューブT1の端部および熱発電チューブT2の端部が挿入されている。熱発電チューブT1の端部(第2電極側)と熱発電チューブT2(第1電極側)とは、この導電性部材J1によって電気的に接続される。本明細書では、2本の熱発電チューブを電気的に接続する導電性部材を「連結プレート」と称する場合がある。

0127

なお、第1リング部分Jr1および第2リング部分Jr2の形状は、円環形状に限定されない。熱発電チューブとの間の電気的接続が確保できれば、貫通孔Jh1またはJh2の形状は、円、楕円または多角形であっても良い。例えば、貫通孔Jh1またはJh2の形状が、軸方向に垂直な平面で切断したときの第1電極E1または第2電極E2の断面形状と異なっていても良い。本明細書において、「リング」という場合には、円環状以外の形状も含まれる。

0128

図28(a)の例において、第1プレート部分36aには、開口部A61、A62に対応して凹部R36が設けられている。この凹部R36は、開口部A61と開口部A62との間を連結する溝部分R36cを含んでいる。この溝部分R36cには、導電性部材J1の連結部Jcが位置している。一方、第2プレート部分36bには、開口部A61に対応した凹部R61と開口部A62に対応した凹部R62とが設けられる。この例では、凹部R36と凹部R61、R62とによって形成された空間の内部に、シールおよび電気的接続を実現するための各種の部材が配置されている。当該空間は、導電性部材J1を収容するチャネルC61を形成しており、チャネルC61によって開口部A61と開口部A62とが連結されている。

0129

図28(a)の例では、導電性部材J1の他に、第1のOリング52a、座金54、導電性リング状部材56、第2のOリング52bがチャネルC61に収容されており、各熱発電チューブT1、熱発電チューブT2の端部が、これらの部材の孔を貫いている。容器30の胴部32に近い側に配置された第1のOリング52aは、第1プレート部分36aに形成された座面Bsaと接し、胴部32の内部に供給された流体がチャネルC61の内部に進入しないようにシールを実現している。一方、容器30の胴部32から遠い側に配置された第2のOリング52bは、第2プレート部分36bに形成された座面Bsbと接しており、第2プレート部分36bの外側に存在する流体がチャネルC61の内部に進入しないようにシールを実現している。

0130

Oリング52a、52bは、断面がO形(円形)の環型のシール部品である。Oリング52a、52bは、ゴム、金属、プラスティックなどから形成され、部品同士の隙間からの流体の流出または流入を防ぐ機能を有している。図28(a)において、第2プレート部分36bの右側には、各熱発電チューブTの流路と連通する空間が位置し、その空間内には温熱媒体または冷熱媒体を構成する流体が存在している。本実施形態では、図28に示す部材を用いることにより、熱発電チューブTの電気的接続と、温熱媒体および冷熱媒体を構成する流体に対するシールとを実現することができる。なお、導電性リング状部材56の構造と機能の詳細については後述する。

0131

プレート36について説明した構成と同様の構成がプレート34にも設けられている。前述したように、プレート34の開口部Aとプレート36の開口部Aとの関係は鏡面対称にあるが、プレート34とプレート36とにおいて、2つの開口部Aを連結する溝部が形成されている位置は鏡面対称ではない。もしプレート34において熱発電チューブTを電気的に接続する導電性部材の配列パターンと、プレート36において熱発電チューブTを電気的に接続する導電性部材の配列パターンとが鏡面対称であれば、複数の熱発電チューブTを直列的に接続できない。

0132

本実施形態のように、胴部32に固定されたプレート(例えばプレート36)が、第1プレート部分(36a)と第2プレート部分(36b)とを含む場合、第1プレート部分(36a)における複数の開口部Aの各々は、第1のOリング52aを受ける第1の座面(Bsa)を有し、第2プレート部分(36b)における複数の開口部Aの各々は、第2のOリングを受ける第2の座面(Bsb)を有する。しかし、プレート34、36は、図28に示されるような構成を有している必要はなく、例えばプレート36は、第1プレート部分36aと第2プレート部分36bとに分かれている必要もない。第2プレート部分36bの代わりに他の部材によって導電性部材J1を押圧すれば、第1のOリング52aが第1の座面(Bsa)を押圧してシールが実現され得る。

0133

なお、図28(a)の例では、熱発電チューブT1と導電性部材J1との間に導電性リング状部材56が介在している。同様に、熱発電チューブT2と導電性部材J1との間にも、もう1つの導電性リング状部材56が介在している。

0134

導電性部材J1は、典型的には、金属から形成される。導電性部材J1を構成する材料の例は、銅(無酸素銅)、真鍮、アルミニウムなどである。腐食防止の観点から、ニッケルめっきまたは錫めっきが施されても良い。なお、導電性部材J(ここではJ1)と、導電性部材Jの2つの貫通孔(ここではJh1およびJh2)にそれぞれ挿入される熱発電チューブ(ここではT1およびT2)との間の電気的接続が確保できる限りにおいて、導電性部材Jの一部に絶縁性コーティングが施されていても良い。すなわち、導電性部材Jは、金属から形成された本体と、本体の表面の少なくとも一部を覆う絶縁性コートとを有していても良い。例えば、テフロン(登録商標)などの樹脂から絶縁性コートが形成されても良い。導電性部材Jの本体がアルミニウムから構成される場合には、表面の一部に絶縁性コートとしての絶縁酸化被膜を形成しても良い。

0135

図29(a)は、導電性部材J1を収容するチャネルC61近傍の分解斜視図である。図29(a)に示すように、第1のOリング52a、導電性リング状部材56、導電性部材J1、および第2のOリング52bは、容器30の外側から開口部A61および開口部A62の各々の内部に挿入される。必要に応じて、第1のOリング52aと導電性リング状部材56との間に座金54が配置される。座金54は、導電性部材J1と第2のOリング52bとの間にも配置され得る。座金54は、後述する導電性リング状部材56の平坦部56fとOリング52a(または54b)との間に挿入される。

0136

図29(b)は、第2プレート部分36bのシール面(第1プレート部分36aと対向する面)のうち、開口部A61およびA62に対応する部分を示す。上述したように、第2プレート部分36bにおける開口部A61およびA62は、第2のOリング52bを受ける座面Bsbを有している。したがって、第1プレート部分36aのシール面と第2プレート部分36bのシール面とを対向させて、フランジ接合などにより第1プレート部分36aおよび第2プレート部分36bを結合すると、第1プレート部分36a内の第1のOリング52aを座面Bsaに押圧することができる。より詳細には、第2の座面Bsbが、第2のOリング52b、導電性部材J1、および導電性リング状部材56を介して、第1のOリング52aを座面Bsaに押圧する。これにより、温熱媒体および冷熱媒体から導電性部材J1をシールすることができる。

0137

第1プレート部分36aおよび第2プレート部分36bが金属などの導電性材料から形成されている場合、第1プレート部分36aおよび第2プレート部分36bのシール側表面は、絶縁材料によってコートされ得る。第1プレート部分36aおよび第2プレート部分36bのうち、動作時に導電性部材Jに接触する領域は、導電性部材Jから電気的に絶縁されるように絶縁コートされ得る。ある態様では、例えばフッ素スプレーによるフッ素樹脂コートが第1プレート部分36aおよび第2プレート部分36bのシール側表面に形成され得る。

0138

<導電性リング状部材の構成の詳細>
次に、図30(a)および図30(b)を参照しながら、導電性リング状部材56の構成を詳細に説明する。

0139

図30(a)は、導電性リング状部材56の1つの例示的な形状を示す斜視図である。図30(a)の導電性リング状部材56は、リング状の平坦部56fと、複数の弾性部56rとを備える。平坦部56fは、貫通孔56aを有する。複数の弾性部56rの各々は、平坦部56fの貫通孔56aの周縁から突出し、貫通孔56aの中心に向かって弾性力付勢されている。このような導電性リング状部材56は、1枚の金属板(厚さは、例えば0.1mm〜数mm)を加工することによって容易に作製することができる。なお、導電性部材Jも、同様に1枚の金属板(厚さは、例えば0.1mm〜数mm)を加工することによって容易に作製することができる。

0140

導電性リング状部材56の貫通孔56aには、熱発電チューブTの端部(第1電極または第2電極)が挿入される。このため、リング状の平坦部56fの貫通孔56aの形状およびサイズは、熱発電チューブのTの端部(第1電極または第2電極)における外周面の形状およびサイズに整合するように設計される。

0141

ここで、図31を参照しながら、導電性リング状部材56の形状をより詳細に説明する。図31(a)は、導電性リング状部材56および熱発電チューブT1の一部を示す断面図である。図31(b)は、導電性リング状部材56に熱発電チューブT1の端部が挿入された状態を示す断面図である。図31(c)は、導電性リング状部材56および導電性部材J1の貫通孔に熱発電チューブT1の端部が挿入された状態を示す断面図である。図31(a)、(b)および(c)は、熱発電チューブT1の軸(中心軸)を含む平面に沿って熱発電チューブT1を切断したときの断面を示している。

0142

図31(a)に示すように、例えば、熱発電チューブT1の端部(第1電極または第2電極)における外周面が直径Dの円筒面であるとする。この場合、導電性リング状部材56の貫通孔56aは、熱発電チューブT1の端部が通過可能なように、直径がD+δ1(δ1>0)である円形を有するように形成される。これに対して、複数の弾性部56rの各々は、貫通孔56aの中心に向かって弾性力が付勢されるように形成されている。複数の弾性部56rの各々は、図31(a)に示したように、例えば、貫通孔56aの中心に向かって傾くように形成される。すなわち、弾性部56rは、外力が与えられない限り、断面の直径がDよりも小さな円筒の外周面(この外周面の直径をD−δ2(δ2>0)とする。)に外接するように加工されている。

0143

D+δ1>D>D−δ2の関係から、熱発電チューブのT1の端部が貫通孔56aに挿入されたとき、複数の弾性部56rの各々は、図31(b)に示すように、熱発電チューブのT1の端部における外周面と物理的に接触する。このとき、複数の弾性部56rの各々は、貫通孔56aの中心に向かって弾性力が付勢されているので、複数の弾性部56rの各々は、熱発電チューブのT1の端部における外周面を弾性力で押圧する。こうして、貫通孔56aに挿入された熱発電チューブT1の外周面は、複数の弾性部56rとの間で安定した物理的かつ電気的な接触を実現する。

0144

次に、図31(c)を参照する。導電性部材J1は、プレート34、36に設けられた開口部A内において、導電性リング状部材56の平坦部56fに接触する。より詳細には、導電性リング状部材56および導電性部材J1が熱発電チューブT1の端部が装着されたとき、図31(c)に示したように、導電性リング状部材56の平坦部56fの表面と、導電性部材J1のリング状部分Jr1の表面とが接触する。このように、本実施形態では、導電性リング状部材56と導電性部材J1との間の電気的な接続は、平面同士の接触によって行われる。導電性リング状部材56と導電性部材J1との間の接触が平面同士の接触であるので、熱発電チューブT1で発生した電流を流すのに十分な接触面積を確保することができる。平坦部56fの幅Wは、熱発電チューブT1で発生した電流を流すのに十分な接触面積が得られるように適宜設定され得る。なお、導電性リング状部材56と導電性部材J1との間の接触面積が確保できる限りにおいて、平坦部56fの表面または導電性部材J1のリング状部分Jr1の表面が凹凸形状を有していても良い。例えば、平坦部56fの表面に形成された凹凸形状と、平坦部56fの表面に形成された凹凸形状に対応するような凹凸形状を導電性部材J1のリング状部分Jr1の表面に形成することで、より大きな接触面積を確保することもできる。

0145

次に、図32を参照する。図32(a)は、導電性リング状部材56および導電性部材J1の一部を示す断面図である。図32(b)は、導電性部材J1の貫通孔Jh1に導電性リング状部材56の弾性部56rが挿入された状態を示す断面図である。図32(a)および(b)は、熱発電チューブT1の軸(中心軸)を含む平面に沿って導電性リング状部材56および導電性部材J1を切断したときの断面を示している。

0146

ここで、導電性部材Jの貫通孔(ここではJh1)の直径を2Rrとすると、導電性部材Jの貫通孔は、熱発電チューブT1の端部が通過可能なように、D<2Rrを満足するように形成される。また、導電性リング状部材56の平坦部56fの直径を2Rfとすると、導電性部材Jの貫通孔は、平坦部56fの表面と、リング状部分Jr1の表面とが確実に接触するように、2Rr<2Rfを満足するように形成される。

0147

なお、図33に示すように、熱発電チューブTの端部に面取り部Cmが形成されていても良い。導電性リング状部材56が熱発電チューブT1の端部に挿入される時、例えば、導電性リング状部材56の弾性部56rと熱発電チューブTの端部とが接触することによって、熱発電チューブTの端部が損傷することがある。熱発電チューブTが端部に面取り部Cmを有することで、弾性部56rと熱発電チューブTの端部とが接触することによる熱発電チューブTの端部の損傷が抑制される。熱発電チューブTの端部の損傷が抑制されることで、導電性部材J1が温熱媒体および冷熱媒体からより確実にシールされる。また、熱発電チューブT1の外周面と、弾性部56rとの間の電気的な接触不良が低減される。面取り部Cmは、図33に示したような曲面状であっても良いし、平面状であっても良い。

0148

こうして、導電性部材J1は、導電性リング状部材56を介して、熱発電チューブTの端部における外周面と電気的に接続する。本実施形態では、第1プレート部分36aおよび第2プレート部分36bを結合することにより、導電性リング状部材56の平坦部56fと導電性部材Jとの安定した電気的接触が実現するとともに、前述したシールを実現できる。

0149

さらに、熱発電チューブTの端部に対応させて導電性リング状部材56を配置しておくことで、導電性部材J1のシールをより確実に行うことができる。前述したように、第1のOリング52aは、導電性部材J1、および導電性リング状部材56を介して座面Bsaに押圧される。ここで、導電性リング状部材56は、平坦部56fを有している。すなわち、第1のOリング52aに対する押圧力は、導電性リング状部材56の平坦部56fを介して第1のOリング52aに与えられる。すなわち、導電性リング状部材56が平坦部56fを有するので、第1のOリング52aに対して均等に押圧力を与えることができる。したがって、座面Bsaに対して、第1のOリング52aを確実に押圧することができ、容器内の液体に対するシールを確実に行うことができる。また、第2のOリング52bに対しても同様に適切な押圧力を与えることができるので、容器外の液体に対するシールも確実に行うことができる。

0150

次に、導電性リング状部材56を熱発電チューブTに嵌め込む方法の一例を説明する。

0151

まず、図29(a)に示されるように、第1プレート部分36aの開口部A61、A62内に、それぞれ、熱発電チューブT1、熱発電チューブT2の端部が挿入される。その後、第1のOリング52aと、必要に応じて座金54を熱発電チューブの先端から嵌め、開口部A61、A62の奥に移動させる。次に、導電性リング状部材56を熱発電チューブの先端から嵌め、開口部A61、A62の奥に移動させる。その後、導電性部材J1と、必要に応じて座金54および第2のOリング52bを熱発電チューブの先端から嵌め、開口部A61、A62の奥に移動させる。最後に、第2プレート部分36bのシール面を第1プレート部分36aに対向させ、第2プレート部分36bの開口部に熱発電チューブの先端が挿入されるようにして第2プレート部分36bと第1プレート部分36aとを結合する。この結合には、例えば、フランジ接合を適用できる。この場合、第2プレート部分36bおよび第1プレート部分36aの結合は、図7に示す第2プレート部分36bに設けられた孔36bhおよび第1プレート部分36aに設けられた孔を介してボルトおよびナットで行うことができる。

0152

導電性リング状部材56と熱発電チューブTとの接続は永久的ではなく、導電性リング状部材56は熱発電チューブTに対して着脱可能である。例えば、熱発電チューブTを新しい熱発電チューブTに交換する場合、上述した導電性リング状部材56を熱発電チューブTに嵌め込む動作の逆の動作を行えば良い。導電性リング状部材56は繰り返して使用することも可能であるし、新しい導電性リング状部材56に交換されても良い。

0153

導電性リング状部材56の形状は、図30(a)に示す例に限定されない。平坦部56fの幅(半径方向のサイズ)と貫通孔56aの半径との比率も任意である。また、個々の弾性部56rは多様な形状を有し得るし、複数の弾性部56rの個数も任意である。

0154

図30(b)は、導電性リング状部材56の他の例の形状を示す斜視図である。図30(b)の導電性リング状部材56も、リング状の平坦部56fと、複数の弾性部56rとを備える。平坦部56fは、貫通孔56aを有する。複数の弾性部56rの各々は、平坦部56fの貫通孔56aの周縁から突出し、貫通孔56aの中心に向かって弾性力で付勢されている。この例では、弾性部56rの個数は4個である。弾性部56rの個数は2個であっても良いが、3個以上であることが好ましい。弾性部56rの個数は例えば6個以上に設定される。

0155

なお、平板状の導電性部材Jを導電性リング状部材56の平坦部56fに接触させる構成によれば、導電性部材Jのリング状部分における貫通孔と、これに挿入される熱発電チューブとの間に隙間(あそび)が許容される。このため、熱発電チューブが脆い材料から形成されている場合でも、導電性部材Jのリング状部分Jr1が熱発電チューブを損傷することなく安定した接続を実現できる。

0156

<連結プレートを介した電気的接続>
上述したように、プレート36に設けられた開口部Aのうちの少なくとも2つを相互に連結するように形成されたチャネルCの内部に、導電性部材(連結プレート)が収容される。ここで、導電性リング状部材56以外の部材を用いて、2本の熱発電チューブの端部を電気的に接続することも可能である。したがって、ある態様では、チャネルC内の導電性リング状部材56は省略され得る。このとき、2本の熱発電チューブの端部は、例えば、コード、導体棒、導電性ペーストなどによって電気的に接続され得る。2本の熱発電チューブの端部がコードを介して相互に電気的に接続される場合、熱発電チューブの端部とコードとは、ハンダ、圧着ワニ口クリップなどを介して電気的に接続され得る。

0157

しかしながら、図28および図29に示したように、チャネルCの内部に収容された導電性部材で2本の熱発電チューブの端部を電気的に接続することによって、熱発電チューブTの端部と導電性部材J1とをより確実に電気的に接続できる。導電性部材Jが平板状である場合(例えば、連結部Jcの幅が大きい場合)には、コードなどを用いる場合と比較して、2本の熱発電チューブ間における電気抵抗を低減できる。さらに、熱発電チューブTの端部に端子などが固定されないので、熱発電チューブTの交換が容易である。導電性リング状部材56によって、2本の熱発電チューブの端部の固定および電気的接続の両方を実現することも可能である。

0158

熱発電ユニット100では、プレート(34または36)に、開口部Aのうちの少なくとも2つを相互に連結するように形成されたチャネルCが設けられているので、熱交換器の管板には無い電気的接続機能が実現される。また、第1のOリング52aおよび第2のOリング52bが、それぞれ、座面BsaおよびBsbを押圧するように構成できるので、熱発電チューブTの端部が挿入された状態で気密または水密を保つためのシールが実現される。このように、プレート(34または36)にチャネルCを設けることで、導電性リング状部材56が省略された態様であっても、2本の熱発電チューブの端部の電気的接続と、温熱媒体および冷熱媒体を構成する流体に対するシールとを実現することが可能である。

0159

<熱流の向きと積層面の傾斜の方向との間の関係>
ここで、図34を参照しながら、熱発電チューブTにおける熱流の向きと、熱発電チューブTにおける積層面の傾斜の方向との間の関係を説明する。

0160

図34(a)は、電気的に直列に接続された熱発電チューブTを流れる電流を模式的に示す図である。図34(a)では、熱発電チューブT1〜T10のうちの3本(T1〜T3)の断面を模式的に示している。

0161

図34(a)では、熱発電チューブT1の一端(例えば第1電極側の端部)に、導電性部材(端子プレート)K1が接続されており、熱発電チューブT1の他端(例えば第2電極側の端部)には、導電性部材(連結プレート)J1が接続されている。導電性部材J1は、熱発電チューブT2の一端(第1電極側の端部)とも接続されており、これにより、熱発電チューブT1と熱発電チューブT2とが電気的に接続される。さらに、熱発電チューブT2の他端(第2電極側の端部)と、熱発電チューブT3の一端(第1電極側の端部)とは、導電性部材J2によって電気的に接続されている。

0162

このとき、図34(a)に示したように、熱発電チューブT1における積層面の傾斜の方向と、熱発電チューブT2における積層面の傾斜の方向とは、互いに反対である。同様に、熱発電チューブT2における積層面の傾斜の方向と、熱発電チューブT3における積層面の傾斜の方向とは、互いに反対である。すなわち、熱発電ユニット100では、熱発電チューブT1〜T10の各々は、連結プレートを介して自身に接続される熱発電チューブとは、積層面の傾斜の方向が互いに反対である。

0163

ここで、図34(a)に示したように、熱発電チューブT1〜T3の各々の内周面に温熱媒体HMを接触させ、外周面に冷熱媒体LMを接触させたとする。すると、熱発電チューブT1では、例えば図の右側から左側に向かって電流が流れる。これに対して、熱発電チューブT2では、熱発電チューブT1とは積層面の傾斜の方向が互いに反対であるので、図の左側から右側に向かって電流が流れる。

0164

図35は、2個の開口部A61、A62およびその近傍における電流の向きを模式的に示す図である。図35は、図28(a)に対応する図である。図35では、電流の流れ方向が、破線の矢印で模式的に示されている。図35に示したように、熱発電チューブT1で生じた電流は、開口部A61側のリング状導電性部材56、導電性部材J1および開口部A62側のリング状導電性部材56を順に介して熱発電チューブT2に向けて流れる。熱発電チューブT2に流入した電流は、熱発電チューブT2で生じた電流と重畳されて熱発電チューブT3に向けて流れる。熱発電チューブT3は、図34(a)に示したように、熱発電チューブT2とは積層面の傾斜の方向が互いに反対である。そのため、熱発電チューブT3では、図34(a)において右側から左側に向かって電流が流れる。したがって、熱発電チューブT1〜T3の各々で生じた起電力は、相殺されることなく重畳される。このように、積層面の傾斜の方向が交互に反対となるように、複数の熱発電チューブTを順に接続することによって、熱発電ユニットからより大きな電圧を取り出すことができる。

0165

次に、図34(b)を参照する。図34(b)は、図34(a)と同様に、電気的に直列に接続された熱発電チューブTを流れる電流を模式的に示している。図34(b)においても、図34(a)に示した例と同様に、積層面の傾斜の方向が交互に反対となるように、熱発電チューブT1〜T3が順に接続されている。この場合も、相互に接続された2本の熱発電チューブにおいて積層面の傾斜の方向が互いに反対であるので、熱発電チューブT1〜T3の各々で生じた起電力は、相殺されることなく重畳される。

0166

ここで、図34(b)に示したように、熱発電チューブT1〜T3の各々の内周面に冷熱媒体LMを接触させ、外周面に温熱媒体HMを接触させると、各熱発電チューブT1〜T3で発生する電圧の極性は、図34(a)に示した場合とは逆になる。別の言い方をすれば、各熱発電チューブにおける温度勾配の向きを反転させると、各熱発電チューブにおける起電力の極性(各熱発電チューブを流れる電流の向きといっても良い。)が反転する。したがって、例えば、図34(a)に示した場合と同様に導電性部材K1側から導電性部材J3側に向かって電流が流れるようにするには、各熱発電チューブT1〜T3における第1電極側および第2電極側が図34(a)に示した場合と反対になるようにすれば良い。なお、図34(a)および(b)に示した電流の向きはあくまで例示である。金属層20を構成する材料および熱電材料層22を構成する熱電材料によっては、電流の向きは、図34(a)および(b)に示した電流の向きと反対になることもある。

0167

図34(a)および(b)を参照して説明したように、熱発電チューブTで発生する電圧の極性は、熱発電チューブTにおける積層面の傾斜の方向に依存する。そのため、例えば熱発電チューブTを交換する場合には、熱発電ユニット100内における熱発電チューブTの内周面と外周面との間の温度勾配を考慮して、適切に熱発電チューブTを配置する必要がある。

0168

図36(a)および(b)は、それぞれ、電極に極性の表示を有する熱発電チューブを示す斜視図である。図36(a)に示す熱発電チューブTでは、第1電極E1aおよび第2電極E2aに、熱発電チューブで発生する電圧の極性を識別するためのモールド(凹凸形状)Mpが形成されている。図36(b)に示す熱発電チューブTでは、第1電極E1bおよび第2電極E2bに、熱発電チューブTにおける積層面が、第1電極E1bおよび第2電極E2bのどちらの側に傾斜しているかを示すマークMkが付されている。モールドまたはマークは互いに組み合わされても良い。モールドまたはマークは、チューブ本体Tbに付与されていても良いし、第1電極および第2電極のいずれか一方にのみ付与されていても良い。

0169

このように、例えば第1電極および第2電極に、熱発電チューブTで発生する電圧の極性を識別するためモールドまたはマークを付与しておくこともできる。これにより、熱発電チューブTにおける積層面が、第1電極E1aおよび第2電極E2aのどちらの側に傾斜しているかを熱発電チューブTの外観から判断することが可能である。モールドまたはマークを付与することに代えて、第1電極と第2電極とを互いに異なる形状としても良い。例えば、第1電極と第2電極との間で、長さ、太さまたは軸方向に垂直な断面の形状などを異ならせても良い。

0170

<熱発電ユニット100の外部に電力を取り出すための電気的接続構造
再び図5を参照する。図5に示す例では、10本の熱発電チューブT1〜T10が導電性部材J1〜J9によって電気的に直列的に接続されている。導電性部材J1〜J9の各々による2つの熱発電チューブTの接続については、前述した通りである。以下、直列回路の両端に位置する2本の発電チューブT1、T10から熱発電ユニット100の外部に電力を取り出すための電気的接続構造の例を説明する。

0171

まず図37を参照する。この図37は、図7(a)に示される熱発電ユニット100の側面のうちの他の一つを示す図(左側面図)である。図7(b)がプレート36の側の構成を示しているのに対して、図37は、プレート34の側の構成を示している。プレート36について説明した構成および動作と共通する構成および動作の説明は繰り返さない。

0172

図37に示されるように、チャネルC42〜C45は、プレート34に設けられた開口部Aのうちの少なくとも2つを相互に連結している。本明細書では、このようなチャネルを「相互接続部分」と称する場合がある。各相互接続部分に収容される導電性部材は、導電性部材J1と同様の構成を有する。これに対して、プレート34に設けられたチャネルC41は、プレート34における開口部A41から外縁まで延びるように設けられている。本明細書では、プレートに設けられた開口部から外縁まで延びるように設けられているチャネルを「端子接続部分」と称する場合がある。図37に示したチャネルC41およびC46は、端子接続部分である。端子接続部分には、外部回路に接続するための端子として機能する導電性部材が収容される。

0173

図38(a)は、プレート34の一部の断面を示す図である。図38(a)は、熱発電チューブT1の中心軸を含む平面で切断したときの断面を模式的に示しており、図37におけるR−R線断面図に相当する。図38(a)には、プレート34が有する複数の開口部Aのうち、開口部A41およびその近傍の構造が示されている。図38(b)は、図38(a)において矢印V2で示す方向から見たときの導電性部材K1の外観を示す。この導電性部材K1は、一端に貫通孔Khを有している。より詳細には、導電性部材K1は、貫通孔Khを有するリング部分Krと、リング部分Krからリング部分Krの外側に向かって延びる端子部Ktとを有している。導電性部材K1は、導電性部材J1と同様に、典型的には、金属から形成される。

0174

プレート34の開口部A41には、図38(a)に示されるように、熱発電チューブT1の端部(第1電極側)が挿入されている。この状態において、導電性部材K1の貫通孔Khには、熱発電チューブT1の端部が挿入されている。このように、本実施形態における導電性部材(J、K1)は、熱発電チューブTを通す少なくとも1個の孔を有する導電性プレートであるといえる。なお、開口部A410およびその近傍の構造は、プレート34の開口部A410に熱発電チューブT10の端部が挿入されること以外は、開口部A41およびその近傍の構造と同様である。

0175

図38(a)の例において、第1プレート部分34aには、開口部A41に対応して凹部R34が設けられている。この凹部R34は、開口部A41から第1プレート部分34aの外縁にまで達する溝部分R34tを含んでいる。この溝部分R34tには、導電性部材K1の端子部Ktが位置している。この例では、凹部R34と、第2プレート部分34bに設けられた凹部R41とによって形成された空間が、導電性部材K1を収容するチャネルを形成している。図28(a)に示した例と同様に、図38(a)の例においても、導電性部材K1の他に、第1のOリング52a、座金54、導電性リング状部材56、第2のOリング52bがチャネルC41に収容されており、熱発電チューブT1の端部が、これらの部材の孔を貫いている。第1のOリング52aは、胴部32の内部に供給された流体がチャネルC41の内部に進入しないように、シールを実現する。また、第2のOリング52bは、第2プレート部分34bの外側に存在する流体がチャネルC41の内部に進入しないように、シールを実現する。

0176

図39は、導電性部材K1を収容するチャネルC41近傍の分解斜視図である。例えば、第1のOリング52a、座金54、導電性リング状部材56、導電性部材K1、座金54および第2のOリング52bが、容器30の外側から開口部A41の内部に挿入される。第2プレート部分34bのシール面(第1プレート部分34aと対向する面)は、図29(b)に示した第2プレート部分36bのシール面とほぼ同様の構成を有する。すなわち、第1プレート部分34aおよび第2プレート部分34bを結合することで、第2プレート部分34bの第2の座面Bsbが、第2のOリング52b、導電性部材K1、および導電性リング状部材56を介して、第1のOリング52aを第1プレート部分34aの座面Bsaに押圧する。これにより、温熱媒体および冷熱媒体から導電性部材K1をシールすることができる。

0177

導電性部材K1のリング部分Krは、プレート34に設けられた開口部A内において、導電性リング状部材56の平坦部56fに接触する。こうして、導電性部材K1は、導電性リング状部材56を介して、熱発電チューブTの端部における外周面と電気的に接続する。ここで、導電性部材K1の一端(端子部Kt)は、図38(a)に示したように、プレート34の外部に突出する。したがって、端子部Ktのうち、プレート34の外部に突出した部分は、熱発電ユニットと外部回路とを接続するための端子として機能し得る。図39に示したように、端子部Ktのうち、プレート34の外部に突出した部分がリング状に形成されていても良い。本明細書では、一端に熱発電チューブが挿入され、他端が外部に突出する導電性部材を「端子プレート」と称することがある。

0178

このように、熱発電ユニット100では、端子接続部分に収容された2個の端子プレートに、熱発電チューブT1および熱発電チューブT10がそれぞれ接続されている。また、複数の熱発電チューブT1〜T10は、2個の端子プレートの間において、チャネルの相互接続部分に収容された連結プレートを介して直列的に電気的に接続されている。したがって、一端がプレートの外部に突出する2個の端子プレートを介して、複数の熱発電チューブT1〜T10によって生じた電力を外部に取りだすことができる。

0179

導電性リング状部材56および導電性部材(J、K1)の配置は、チャネルC内において適宜変更され得る。このとき、導電性リング状部材56の弾性部56rが導電性部材の貫通孔(Jh1、Jh2またはKh)に挿入されるように、導電性リング状部材56および導電性部材を配置すれば良い。また、前述したように、導電性リング状部材56が省略された態様によって、熱発電チューブTの端部と導電性部材K1とが電気的に接続されても良い。なお、導電性リング状部材56の平坦部56fの一部を延長して、導電性部材K1の端子部Ktの代用とすることもできる。この場合、導電性部材K1を省略しても良い。

0180

なお、上述の実施形態では、第1プレート部分に設けられた凹部および第2プレート部分に設けられた凹部からチャネルCが形成されたが、第1プレート部分および第2プレート部分のいずれか一方に設けられた凹部からチャネルCが形成されても良い。容器30が金属から構成される場合、導電性部材(連結プレート、端子プレート)と容器30とが導通しないように、チャネルC内部に絶縁性コーティングが施されていても良い。例えば、プレート34(34aおよび34b)が、金属から形成された本体と、本体の表面の少なくとも一部を覆う絶縁性コートとを有していても良い。プレート36(36aおよび36b)も同様に、金属から形成された本体と、本体の表面の少なくとも一部を覆う絶縁性コートとを有していても良い。第1プレート部分に設けられた凹部の表面および第2プレート部分に設けられた凹部の表面に絶縁性コーティングが施されている場合は、導電性部材の表面の絶縁性コーティングを省略できる。

0181

<シールおよび電気的接続のための構造の他の例>
図40は、熱発電チューブTの外周面に接する媒体と、各熱発電チューブT1〜T10の内周面に接する媒体とが混ざり合わないように分離するための構造の例を示す断面図である。図40に示す例では、容器30の外側からブッシング60が挿入されることで、温熱媒体と冷熱媒体との分離および熱発電チューブと導電性部材との間の電気的接続が実現される。

0182

図40の例において、プレート34uに設けられた開口部A41は、雌ネジ部Th34を有している。より詳細には、プレート34uの開口部A41に対応して設けられた凹部R34の壁面にネジ山が形成されている。凹部R34には、雄ネジ部Th60を有するブッシング60が挿入される。ブッシング60は、軸方向に沿って貫通孔60aを有している。ここで、プレート34uの開口部A41に、熱発電チューブT1の端部が挿入されている。したがって、貫通孔60aは、凹部R34にブッシング60が挿入された状態において熱発電チューブT1の内部流路に連通する。

0183

凹部R34とブッシング60との間に形成された空間の内部には、シールおよび電気的接続を実現するための各種の部材が配置される。図40の例では、プレート34uに形成された座面Bsaから容器30の外側に向かって、Oリング52、導電性部材K1およびリング状導電性部材56が順に配置されている。熱発電チューブT1の端部は、これらの部材の孔に挿入されている。Oリング52は、プレート34uに形成された座面Bsaおよび熱発電チューブT1の端部の外周面と接する。ここで、雌ネジ部Th34に雄ネジ部Th60が挿入すると、導電性リング状部材56の平坦部56fおよび導電性プレートK1を介して、雄ネジ部Th60がOリング52を座面Bsaに押圧する。すなわち、胴部32の内部に供給された流体が熱発電チューブT1の内部流路に供給された流体と混ざり合わないようにシールを実現することができる。また、熱発電チューブT1の外周面が導電性リング状部材56の複数の弾性部56rと接触し、導電性リング状部材56の平坦部56fが導電性部材K1のリング部分Krと接触するので、熱発電チューブと導電性部材とを電気的に接続することができる。

0184

このように、図40に示す部材を用いることによって、より簡易な構成で、温熱媒体と冷熱媒体との分離および熱発電チューブと導電性部材との間の電気的接続を実現することもできる。

0185

図41(a)および(b)は、温熱媒体と冷熱媒体との分離および熱発電チューブと導電性部材との間の電気的接続を実現するための構造の他の例を示す断面図である。図41(a)では、プレート34uに形成された座面Bsaから容器30の外側に向かって、第1のOリング52a、座金54、リング状導電性部材56、導電性部材K1、座金54および第2のOリング52bが順に配置されている。図41(a)に示す例では、導電性プレートK1および導電性リング状部材56の平坦部56fを介して、雄ネジ部Th60がOリング52aを座面Bsaに押圧する。図41(b)では、プレート34uに形成された座面Bsaから容器30の外側に向かって、第1のOリング52a、導電性部材K1、リング状導電性部材56および第2のOリング52bが順に配置されている。また、図41(b)では、ブッシング60に形成された貫通孔60a内に、貫通孔64aを有するブッシング64がさらに挿入されている。貫通孔64aは、熱発電チューブT1の内部流路に連通している。図41(b)に示す例では、ブッシング64の雄ネジ部Th64が、第2のOリング52bを座面Bsaに向けて押圧する。このように、第1のOリング52aおよび第2のOリング52bを配置することによって、温熱媒体を構成する流体および冷熱媒体を構成する流体の両方に対するシールを行っても良い。温熱媒体を構成する流体および冷熱媒体を構成する流体の両方に対するシールを行うことで、導電性リング状部材56の腐食が抑制される。

0186

上述したように、導電性部材K1の端子部Ktの一端は、プレート34uの外部に突出し、熱発電ユニットと外部回路とを接続するための端子として機能し得る。図40ならびに図41(a)および(b)に示したような態様において、導電性部材K1(端子プレート)の代わりに、導電性部材J1のような連結プレートが適用されても良い。この場合は、貫通孔Jh1に熱発電チューブT1の端部が挿入される。必要に応じて、Oリングと導電性部材との間などに座金54が配置されても良い。

0187

<熱発電システムの構成例>
次に、本開示の熱発電システムの構成例を説明する。

0188

図42(a)は、本開示の熱発電システムの構成例を示す図である。図42(b)は、図42(a)のB−B線断面図である。図42(c)は、図42(a)に示す熱発電システムが備えるバッファ槽の構成例を示す斜視図である。図42(a)において、実線の太い矢印は、熱発電チューブの外周面と接する媒体、すなわち容器30の中(熱発電チューブの外側)を流れる媒体の流れ方向を概略的に示している。破線の太い矢印は、熱発電チューブの内周面に接する媒体、すなわち、熱発電チューブの貫通孔(内部流路)を流れる媒体の流れ方向を概略的に示している。本明細書では、各容器30の流体入口および流体出口に連通した管路を「第1媒体路」と称し、各熱発電チューブの流路に連通した管路を「第2媒体路」と称する場合がある。なお、以下では、前述した流量制御システム500や目標発電量取得部528などの図示を省略することがある。

0189

図42(a)に示される熱発電システム200Aは、第1の熱発電ユニット100−1と、第2の熱発電ユニット100−2とを備えている。第1の熱発電ユニット100−1および第2の熱発電ユニット100−2は、それぞれ、前述した熱発電ユニット100の構成と同一の構成を有している。熱発電システム200Aは、更に、第1の熱発電ユニット100−1と第2の熱発電ユニット100−2の間に置かれた太い円筒状のバッファ槽44を備えている。このバッファ槽44は、第1の熱発電ユニット100−1における複数の熱発電チューブの流路に連通する第1開口部44a1と、第2熱発電ユニット100−2における複数の熱発電チューブの流路に連通する第2開口部44a2とを有している。

0190

熱発電システム200Aでは、第1の熱発電ユニット100−1の流体入口38a1から導入された媒体は、第1の熱発電ユニット100−1の容器30、第1の熱発電ユニット100−1の流体出口38b1、中継のための管路40、第2の熱発電ユニット100−2の流体入口38a2および第2の熱発電ユニット100−2の容器30を順に流れ、流体出口38b2に到達する(第1媒体路)。すなわち、第1の熱発電ユニット100−1の容器30の内部に供給された媒体は、管路40を介して、第2の熱発電ユニット100−2の容器30の内部に供給される。この管路40は、直線的である必要はなく、屈曲していても良い。

0191

一方、第1の熱発電ユニット100−1の複数の熱発電チューブの内部流路は、バッファ槽44の第1開口部44a1および第2開口部44a2を介して、第2の熱発電ユニット100−2の複数の熱発電チューブの内部流路に連通している(第2媒体路)。第1の熱発電ユニット100−1の複数の熱発電チューブの内部流路の各々に導入された媒体は、バッファ槽44で合流した後、第2の熱発電ユニット100−2の複数の熱発電チューブの内部流路の各々に導入される。

0192

複数の熱発電ユニットを備える熱発電システムにおいては、各熱発電チューブの流路に連通した第2媒体路は、任意に設計され得る。ここで、1つの容器30内において複数の熱発電チューブを介して行われる熱交換の程度は、熱発電チューブの位置によって異なることが生じ得る。したがって、隣接する2つの熱発電ユニット間において、例えば、一方の熱発電ユニットの各熱発電チューブの内部流路と、他方の熱発電ユニットの各熱発電チューブの内部流路とを直列的に接続すると、内部流路を流れる媒体の温度のばらつきが拡大する。各熱発電チューブの内部流路を流れる媒体の温度のばらつきが拡大すると、各熱発電チューブの発電量がばらつく可能性がある。

0193

熱発電システム200Aでは、第1の熱発電ユニット100−1の複数の熱発電チューブの内部流路からバッファ槽44の内部に流れ込んだ媒体は、バッファ槽44の中で熱を交換し、第2の熱発電ユニット100−2の複数の熱発電チューブの内部流路に供給される。第1の熱発電ユニット100−1の複数の熱発電チューブの内部流路からバッファ槽44の内部に流れ込んだ媒体が、バッファ槽44の中で熱を交換するので、媒体温度が均一化され得る。このように、各熱発電チューブの内部流路を流れる媒体を、他の熱発電チューブの内部流路を流れる媒体と混合することで、複数の熱発電チューブの内部流路を流れる媒体の温度が均一化されるという利点が得られる。

0194

図42(a)の例では、第2媒体路が、複数の熱発電チューブTの流路を同一方向に流体が流れるように構成されている。しかしながら、複数の熱発電チューブTの流路における流体の流れ方向は、同一方向に限定されない。複数の熱発電チューブTの流路における流体の流れ方向は、温熱媒体および冷熱媒体の流路の設計に応じて多様に設定可能である。また、本開示の熱発電システムにおける複数の熱発電ユニットは、直列的または並列的に連結され得る。

0195

次に、図43を参照する。図43は、本開示の熱発電システムの更に他の構成例を示す図である。図43において、図42(a)と同様に、実線の太い矢印は、熱発電チューブの外周面と接する媒体の流れ方向を概略的に示している。また、破線の太い矢印は、熱発電チューブの内周面に接する媒体の流れ方向を概略的に示している。熱発電システム200Eでは、第1の熱発電ユニット100−1の複数の熱発電チューブTの流路における流体の流れ方向と、第2の熱発電ユニット100−2の複数の熱発電チューブTの流路における流体の流れ方向とは、互いに反平行に構成されている。

0196

熱発電システム200Eでは、第1の熱発電ユニット100−1および第2の熱発電ユニット100−2が、空間的に並列に配置されている。例えば、第2の熱発電ユニット100−2は、第1の熱発電ユニット100−1の横に配置される。なお、第1の熱発電ユニット100−1および第2の熱発電ユニット100−2は、鉛直方向に沿って積み重ねられても良い。この場合、概略的には、第1媒体路中の媒体は鉛直方向に沿って流れる。

0197

図43に示したように、バッファ槽44は、屈曲した形状であり得る。このように、本開示の実施形態による熱発電システムでは、温熱媒体および冷熱媒体の流路の設計は多様に可能である。例えば、熱発電システムを設置する場所の面積などに応じて、柔軟な設計が可能である。図42および図43は、あくまでも幾つかの例を示すだけであり、各容器の流体入口および流体出口に連通した第1媒体路、および各熱発電チューブの流路に連通した第2媒体路は、任意に設計され得る。なお、複数の熱発電ユニットは、電気的に直列にも接続され得るし、電気的に並列にも接続され得る。

0198

<熱発電システムが備える電気回路の構成例>
次に、図44を参照しながら、本開示による熱発電システムが備え得る電気回路の構成例を説明する。

0199

図44の例において、本実施形態における熱発電システム200Fは、熱発電ユニット100−1、100−2から出力される電力を受け取る電気回路250を備えている。すなわち、ある態様では、複数の導電性部材は、複数の熱発電チューブに電気的に接続された電気回路を有し得る。なお、熱発電チューブ200Fは、2つの熱発電ユニット100−1、100−2を備えているが、熱発電ユニットの個数は任意である。

0200

この電気回路250は、熱発電ユニット100−1、100−2から出力される電力の電圧を上昇させる昇圧回路252と、昇圧回路252から出力される直流電力交流電力周波数は例えば50/60Hzまたはその他の周波数)に変換するインバータ(DC−ACインバータ)回路254とを有している。インバータ回路254から出力される交流電力は、負荷400に供給され得る。負荷400は、交流電力を使用して動作する各種の電気機器または電子機器であり得る。負荷400は、それ自体が充電機能を有していても良いし、電気回路250に固定されている必要も無い。負荷400で消費されない交流電力は、商用系統410に連系されて売電され得る。

0201

図44の例における電気回路250は、熱発電ユニット100−1、100−2から得られる直流電力を蓄積するための充放電制御部262および蓄電部264を備えている。蓄電部264は、例えばリチウムイオン二次電池などの化学電池や、電気二重層コンデンサなどのキャパシタであり得る。蓄電部264に蓄えられた電力は、必要に応じて、充放電制御部262によって昇圧回路252に与えられ、インバータ回路254を介して交流電力として使用または売電され得る。

0202

本開示の実施形態における熱発電システム200Fが流量制御システム500を備えていても、熱発電ユニット100−1、100−2から得られる電力の大きさが、時間に応じて周期的または不定期的に変動する場合がある。例えば、熱媒体の供給源からタンク540に供給される熱媒体の供給量が低下する時間が当初の予想を超えて長くなった場合、タンク540に蓄えていた熱媒体では、熱発電ユニット100−1、100−2に供給する熱媒体の流量を所定範囲に維持できないことが起こり得る。そのような場合、熱発電ユニット100−1、100−2の発電状態が変動するため、熱発電ユニット100−1、100−2から得られる電力の電圧および/または電流の大きさが変動してしまう。そのような発電状態の変動があっても、図44に示される熱発電システム200Fでは、充放電制御回路262を介して蓄電部264に電力を蓄積すれば、発電量の変動による影響は抑制され得る。

0203

発電とともにリアルタイムで電力を消費する場合は、発電状態の変動に応じて昇圧回路252の昇圧比を調整しても良い。

0204

なお、不図示の高温熱源から温熱媒体に供給する熱の量を調整することにより、温熱媒体の温度を制御することも可能である。同様に、冷熱媒体から不図示の低温熱源に放出する熱の量を調整することにより、冷熱媒体の温度を制御することも可能である。

0205

<熱発電システムの他の実施形態>
以下、図45を参照しながら、本開示による熱発電システムの他の実施形態を説明する。

0206

本実施形態では、一般廃棄物処理施設(いわゆるごみ処理場またはクリーンセンター)に複数の熱発電ユニット(例えば100−1、100−2)が設けられている。近年の廃棄物処理施設では、ごみ廃棄物)を燃焼する際に発生した熱エネルギーから高温高圧水蒸気(例えば400〜500℃、数メガパスカル)が生成されることがある。このような水蒸気エネルギーは、タービン発電によって電力に変換され、施設内の電力使用に供されている。

0207

本実施形態による熱発電システム300は、複数の熱発電ユニットを備えている。図45の例では、熱発電ユニット100−1、100−2に供給される温熱媒体が廃棄物処理施設におけるごみの燃焼熱を得て生成されている。より詳細には、このシステムは、焼却炉310と、焼却炉310で生じた燃焼熱から高温高圧水蒸気を生成するボイラ320と、ボイラ320で生成された高温高圧水蒸気によって回転するタービン330とを備えている。タービン330の回転エネルギーは、不図示の同期発電機に与えられ、同期発電機によって交流電力(例えば3相交流電力)に変換される。

0208

タービン330を回転する仕事に使用された水蒸気は、復水器360によって液体の水に戻り、ポンプ370によってボイラ320に供給される。この水は、ボイラ320、タービン330、復水器360によって構成される「熱サイクル」を循環する作動媒体である。ボイラ320で水に与えられた熱の一部は、タービン330を回転させる仕事をした後、復水器360で冷却水に与えられる。一般的に、冷却水は、復水器360と冷却塔350との間を循環する。

0209

このように焼却炉310で発生した熱のうち、タービン330によって電力に変換されるエネルギーは一部であり、タービン330を回転させた後の低温低圧の水蒸気が保有する熱エネルギーは、従来、電気エネルギーに変換して利用されることなく周囲環境に捨てられることが多かった。本実施形態では、このようなタービン330で仕事をした後の低温の水蒸気、または熱水を温熱媒体の熱源として有効に利用することができる。本実施形態では、このような低温(例えば140℃程度)の水蒸気から熱交換器340によって熱を得て、例えば99℃の温水を得る。そして、この温水を温熱媒体として熱発電ユニット100−1、100−2に供給する。

0210

一方、冷熱媒体としては、例えば、廃棄物処理施設で使用される冷却水の一部が利用され得る。廃棄物処理施設が冷却塔350を有している場合、この冷却塔350から例えば10℃程度の水を得て、冷熱媒体として使用することができる。冷熱媒体は、特別な冷却塔を利用して得る必要は無く、施設内または近隣井戸水や川の水を用いて代用することも可能である。

0211

本実施形態では、熱発電システム300の運転状況に関する「情報」または設定された目標発電量に応じて、熱発電ユニット100−1、100−2を流れる温水および冷却水の少なくとも一方の流量を制御する流量制御システム500を備えている。この流量制御システム500は、例えば、熱交換器340を介して熱発電ユニット100−1、100−2に供給される温水の流量が減少した場合であっても、熱発電ユニット100−1、100−2の発電量の低下を抑制するように、熱発電ユニット100−1、100−2に流入する温水の流量を調整することができる。

0212

図45の熱発電ユニット100−1、100−2は、例えば図44に示される電気回路250に接続され得る。熱発電ユニット100−1、100−2で生成された電力は、施設内で使用されたり、蓄電部264に蓄えられたりすることができる。余剰電力は、交流電力に変換された後、商用系統410を介して売電され得る。

0213

図45の熱発電システム300は、ボイラ320およびタービン330を備える廃棄物処理施設の廃熱利用システムに複数の熱発電ユニットを組み込んだ形態を有している。しかし、熱発電ユニット100−1、100−2の動作にとって、ボイラ320、タービン330、復水器360、熱交換機340は不可欠の構成要素ではない。従来は捨てられていたような比較的低い温度の気体または熱水があれば、それを直接に温熱媒体として有効に利用することもできるし、熱交換器を介して他の気体または液体を加熱し、それを温熱媒体として利用することもできる。図45のシステムは、実用的な例の1つに過ぎない。

0214

各実施形態について説明したことから明らかなように、本開示の熱発電システムの実施形態によれば、未利用のまま周囲環境に捨てられていた熱エネルギーを回収して有効に活用することができる。例えば、廃棄物処理施設におけるごみの燃焼熱を利用して温熱媒体を生成することにより、従来は捨てられていたような比較的低い温度の気体または熱水が保有する熱エネルギーを有効に活用することが可能となる。

0215

なお、上述した実施形態では、熱発電ユニットの容器内部に熱媒体が流される構成を例示したが、熱発電チューブの外周面に熱媒体を接触させることができれば、熱発電ユニットを収容する容器を省略しても良い。例えば、熱発電チューブを川に沈めて、熱発電チューブの内部流路に流れる温水の流量を調整しても良い。熱発電チューブをの中に埋設して、熱発電チューブの外周面に接触する雪を冷熱媒体として利用しても良い。

0216

また、本開示の発電方法は、前述した熱発電システムにおける熱発電チューブの流路内に第1の熱媒体を流す工程と、第1の熱媒体の温度とは異なる温度の第2の熱媒体を熱発電チューブの外周面に接触させる工程と、熱発電システムの運転状況に関する情報または目標発電量を取得し、その情報または目標発電量に応じて、熱発電チューブの流路を流れる第1の熱媒体および熱発電チューブの外周面に接する第2の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する工程とを含む。

0217

本開示による熱発電システムは、例えば温泉から出る温水、自動車や工場などから排出される排ガスなどの熱を用いた発電機として利用可能である。

0218

10熱発電素子
10a 上面
10b 下面
20金属層
22熱電材料層
24外周面
26内周面
30容器
32胴部
34、34u、36プレート
34a プレート34の第1プレート部分
34b プレート34の第2プレート部分
36a プレート36の第1プレート部分
36b プレート36の第2プレート部分
36bh 第2プレート部分36bの孔
38a、38a1、38a2 容器30の流体入口
38b、38b1、38b2 容器30の流体出口
40管路
44バッファ槽
44a1 第1開口部
44a2 第2開口部
52 Oリング
52a 第1のOリング
52b 第2のOリング
54座金
56導電性リング状部材
56f リング状の平坦部
56r 複数の弾性部
56a貫通孔
60、64ブッシング
60a ブッシング60の貫通孔
64a ブッシング64の貫通孔
100熱発電ユニット
100−1 第1の熱発電ユニット
100−2 第2の熱発電ユニット
120高温熱源
140低温熱源
200、200A、200E、200F、300熱発電システム
250電気回路
252昇圧回路
254インバータ回路
262充放電制御部
264蓄電部
310焼却炉
320ボイラ
330タービン
340熱交換器
350冷却塔
400負荷
410商用系統
500流量制御システム
528目標発電量取得部
A プレート34、36の開口部
A41、A410 プレート34の開口部
A61、A62 プレート36の開口部
C プレート34、36のチャネル
C41〜C46 プレート34のチャネル
C61〜C65 プレート36のチャネル
Bsa 第1の座面
Bsb 第2の座面
Cm面取り部
E1、E1a、E1b 第1電極
E2、E2a、E2b 第2電極
HM温熱媒体
J導電性部材
J1〜J9 導電性部材
Jc 連結部
Jh1、Jh2 導電性部材Jの2つの貫通孔
Jr1 導電性部材Jの第1リング部分
Jr2 導電性部材Jの第2リング部分
K1 導電性部材
Kh 導電性部材K1の貫通孔
Kr 導電性部材K1のリング部分
Kt 導電性部材K1の端子部
LM冷熱媒体
R34、R36 凹部
R34t 溝部分
R36c 溝部分
R41、R61、R62 凹部
T熱発電チューブ
T1〜T10 熱発電チューブ
Tb チューブ本体
Tb1 チューブ本体
Th34 開口部A41の雌ネジ部
Th60 ブッシング60の雄ネジ部
Th64 ブッシング64の雄ネジ部

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ