【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温空気または、高温の燃焼ガス等の高温ガスの保有熱を利用して熱電素子で直接発電するようにした発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の発電装置としては、本発明の出願人が先に実開昭６２−９４６６１号として提案したものがある。この発電装置は図１，図２に示すようになっていて、扁平形状の水管ａの上面と下面に熱電素子モジュールｂを接着あるいはロー付けにて固着し、さらに、この両熱電モジュールｂにガス通路となるフィンｃを一体に固着して構成した発電ユニットｄを図２に示すように風胴ｅ内に各水管ａの両端部に設けてある水出入口ｆを互いに接続して積層配置する構成となっている。そして各水管ａは風胴ｅ内の上下に設けた基板ｇにわたって貫通する取り付けロングボルトｈにて一体状に固着されている。
【０００３】
この構成において、風胴ｅに流入した高温ガスは各発電ユニットｄの上下面に設けたフィンｃ，ｃを通って下流側へ排出され、この間に発電ユニットｄの熱電素子モジュールｂの一側面を加熱する。一方各発電ユニットｄの水管ａには水が循環していることにより、熱電素子モジュールｂの他側面を冷却する。これにより、各熱電素子モジュールｂには厚さ方向に温度差が生じ、このときのゼーベック効果等により電力が発生し、これを取り出して利用するようになっている。
【０００４】
ところで、上記従来の発電装置にあっては、各発電ユニットの所定の厚さを有する水管ａや、熱電素子モジュールｂ、さらにフィンｃの基板の側端面が風胴ｅの上流側に対向された構成となっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した発電装置にあっては、各発電ユニットｄの各水管ａや、熱電素子モジュールｂ、さらにフィンｃの基板の側端面が風胴ｅにおける風の衝突面となってしまい、この風胴ｅ内を通る高温ガスの圧力損失の大きな原因となっていた。また、ガス流が発電ユニットｄにあたる際に発生していた騒音も高かった。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
本発明は上記した従来の発電装置の問題点を解決するためになされたもので、本発明に係る発電装置は、扁平に形成された水管と、水管の両側面に設けた熱電素子モジュールと、熱電素子モジュールの外側面に設けたフィン基板と、フィン基板の外側面に設けたフィンとからなる発電ユニットを、風胴内に複数個積層配置してなる発電装置において、発電ユニットの側端部のうち、風胴内のガス流路の上流側であって、ガス流に対向する側端部に整流板を設けた構成となっており、風胴を流れる高温ガスは各発電ユニットのフィンを通って下流側へ排出され、この間にフィンにガス流の熱が吸収され、その熱がフィン基板を介して熱電素子モジュールの一側面に伝達される。一方水管には水が水出入口より流出入されて流れていて、これに当接している熱電素子モジュールの他側面が冷却され、これにより熱電素子モジュールにて発電される。このとき、各発電ユニットのガス流方向の上流側に整流板が設けてあるので、風胴を流れる高温ガスは発電ユニットの側端部で乱されることなくスムーズな流れとなってフィン部に流入する。このため、この発電ユニットによるガス流に対する抵抗が少なくなり、風胴を通る高温ガスの圧力損出を少なくすることができると共に、発電ユニットにガス流があたる際の騒音を少なくすることができる。
【０００７】
また、発電装置において、整流板を発電ユニットのフィン基板に支持し、及び、この発電ユニットの風胴内のガス流方向の下流側にも整流板を固着し、さらに下流側の整流板の長さを上流側より長くたことにより、このフィンを通るガス流は乱れることがなくスムーズな流れとなって流れる。そして上流側の整流板が短いことにより、発電ユニットの上流側の大きさを小さくでき、発電装置全体をコンパクトにすることができる。
【０００８】
さらに、上記発電装置において、発電ユニットの水管の両側に配置される両フィン基板のガス流方向の幅を、水管の同方向の幅より広くし、この両フィン基板をガス流方向の両端部で、かつ水管からはずれた位置で相互に結合したことにより、両フィン基板は水管の両側面に設けた熱電素子モジュールの表面に沿う状態で互いに結合することができ、このフィン基板に剛性をもたせておくことにより、このフィン基板を熱電素子モジュールの面精度以外の不確定要因がない状態で固着できる。従ってこのフィン基板を熱電素子モジュールの表面に均一に当接することができ、フィンからの熱を効率よく熱電素子モジュール側へ伝達することができる。また、両フィン基板を結合する部材が水管に接触することがなくなり、水管とフィン基板とを熱的に断絶され、フィン基板から熱が余計のところへ逃げるのを防止できる。
【０００９】
さらに、上記発電装置の風胴を焼却炉の排ガス出口に接続したことにより、焼却炉からの排熱から発電でき、排ガスの有効利用を図ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図３以下に基づいて説明する。
図中１は断面形状が矩形状になっている風胴であり、この風胴１内に複数の発電ユニット２，２，…が風胴１の風路に対して直角方向（上下方向）に一定間隔をおいて積層配置されている。
【００１１】
この発電ユニット２は図４に示すようになっていて、風胴１の開口幅方向に長くした扁平にして、かつ上，下面を平坦にした水管３と、この水管３の上，下面に接着等の手段にて固着された熱電素子モジュール４と、この各熱電素子モジュール４の他面に当接させるフィン基板５と、このフィン基板５の他面に風胴１の風路方向に向けて固着したフィン７とからなっている。そして上記両フィン基板５，５の幅は、水管３の風路方向の幅より長くなっていて、それぞれの風路方向の両端部がボルト８，８にて結合されており、これにより、両フィン基板５，５は熱電素子モジュール４に当接して水管３を挟んだ状態でこの水管３に結合されている。
【００１２】
上記各発電ユニット２は風胴１内において、この風胴１を通る高温ガスの流路中に配置され、この高温ガスが各発電ユニット２の上下ににあるフィン７を通ることになるが、このとき各発電ユニット２の水管３と両フィン基板５，５の合計厚さ分の面積が上記高温ガスの流路の妨げとなる。
【００１３】
そこで、各発電ユニット２の上流側と下流側に整流板９，１０を取り付ける。上流側の整流板９は先端部を比較的大きな、例えば発電ユニット２のフィン７を除く厚さの１／２の半径の半円形にした形状になっており、下流側の整流板１０は風胴１の下流側へ長く延長された形状となっている。この両整流板９，１０はフィン基板５，５の側端面に接着剤にて、またはビス（図示せず）にて固着されている。
【００１４】
上記水管３の長手方向両端部には水出入口１１，１１が設けてある。この各水出入口１１は図５に示すように、水管３の上側に固着したねじ付き接管１２と、下側に固着した段付き接管１３とからなっている。そして、段付き接管１３にはこれの段部に嵌合すると共に、上記ねじ付き接管１２に螺合するナット部材１４が遊嵌されている。
【００１５】
各発電ユニット２の相互は、各水管１の水出入口１１を当接させて重ね合わせ、上側の水管１のナット部材１４を下側の水管１のねじ付き接管１２に螺合することにより順次積層結合される。そして最上側の発電ユニットのねじ付き接管１２が風胴１側に固着された固定接管１５に、これに遊嵌されているナット部材１４にて結合される。また最下側の発電ユニットの水管３の水出入口１１の下側は閉じられていて、この部分に固着した支持台１６が風胴１側に固着されるようになっている。図中１７は断熱材、１８はシール部材である。このようにして各発電ユニット２，２，…は、これの各水管３の水出入口１１を重ね合わせてこれの相互をナット部材１４にて結合することにより風胴１内に積層配置される。
【００１６】
上記構成において、風胴１に流入した高温ガスは各発電ユニット２，２，…にあたり、これのフィン７を通って流出していく。このとき、各発電ユニット２の上流側に整流板９があるので、上記高温ガス流は発電ユニット２の側端部で乱されることなくスムーズな流れとなってフィン７部に流入される。またこのフィン７を出たガス流は、発電ユニット２の下流側に取り付けられている整流板１０に沿って渦流となっていることなくスムーズな流れとなって風胴１の下流側へ排出されていく。このときの高温ガスの熱はフィン７よりフィン基板５に伝達され、発電素子モジュール４の一側面が加熱される。
【００１７】
一方各熱電ユニット２，２，…の水管３には、これの一方の水出入口１１より水が供給され、他方の水出入口１１より流出して水が循環しているので、上記熱電素子モジュール４の他面が冷却され、これにより、この熱電素子モジュール４にはこれの上下面の温度差による起電が生じて発電される。
【００１８】
上記実施の形態において、フィン基板５はフィン７からの熱を熱電素子モジュール４に効率よく伝導するために、熱伝導率のよい、例えばアルミが用いられる。一方整流板９，１０は軽く、かつ断熱性を有している方がいいので、ベークライト等の合成樹脂やセラミックが用いられる。なおアルミにしてフィン基板５と一体状に構成してもよい。
【００１９】
この整流板９，１０の形状は、流体の流れを乱さないような形なら特に限定されない。そして上流側の整流板９の先端は丸みがあった方が流体の流れの方向が多少ずれてもこれを許容できて流れが乱れることがない。またこの上流側の整流板９も長い方が流れが滑らかになってよいが、コンパクトにするために上流側を短くした。なおこの上流側の整流板９は、発電ユニット２を通るガス流にとって、流体抵抗を小さくするために極めて重要であるが、下流側の整流板１０はなくても装置として許容することができる。そしてこれを設ける場合にはできるだけ下流側へ長くすることが、渦流の発生防止に有効である。
【００２０】
各発電ユニット２のフィン７の高さは、あまり高いと、これの先端の方からの熱が熱電素子モジュール４側へ伝わり難く、結局フィン効率が低下する。従ってフィン効率を高めるためにはフィン７の高さはある程度低い方がいい。そしてこの高さの低いフィン７の熱効率よく熱電素子モジュール４側へ伝達するために、フィン７と熱電素子モジュール４との間に介在したフィン基板５の厚さを大きくした。フィン基板５は熱伝導性のよい材料（アルミ）で厚く作られていることにより、熱の通り道が多く、フィン７で吸収した熱を瞬時に熱電素子モジュール４に集中化することができる。このとき、このフィン基板５が厚くなった分だけ発電ユニット２のガス流に対する厚さが大きくなってガス流の抵抗が増えるが、これは発電ユニット２の側端部に整流板９，１０を取り付けることにより解決される。
【００２１】
この種の発電ユニット２では、熱電素子モジュール４とフィン基板５とが均一に当接されていないと効率か悪くなる。上記実施例では、フィン基板５が厚く剛性を有していること、及びこれの幅方向両側で、かつ水管３の幅方向両側でフィン基板相互がボルト８，８にて結合されているので、このボルト８，８の締結力を両側で均等になるようにして締結することにより、両フィン基板５，５は水管３に固着された熱電素子モジュール４，４の表面に均一に当接することができる。またこのとき、例えばボルト８が金属製であっても、このボルト８を介してフィン基板５の熱が水管３側へ伝わることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の発電装置の発電ユニットを示す一部破断分解斜視図である。
【図２】従来の発電装置を示す一部破断分解斜視図である。
【図３】本発明に係る発電装置を示す側面図である。
【図４】本発明に係る発電装置の要部を示す断面図である。
【図５】本発明に係る発電装置の水管の接続部を示す断面図である。
【符号の説明】
１…風胴
２…発電ユニット
３…水管
４…熱電素子モジュール
５…フィン基板
７…フィン
８…ボルト
９，１０…整流板
１１…水出入口
１２…ねじ付き接管
１３…段付き接管
１４…ナット部材
１５…固定接管
１６…支持台
１７…断熱材
ａ…水管
ｂ…熱電素子モジュール
ｃ…フィン
ｄ…発電ユニット
ｅ…風胴
ｆ…水出入口
ｇ…基板
ｈ…ロングボルト[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power generator that directly generates power with a thermoelectric element using the retained heat of high-temperature gas such as high-temperature air or high-temperature combustion gas.
[0002]
[Prior art]
As this type of power generation device, there is one previously proposed by the applicant of the present invention as Japanese Utility Model Publication No. 62-94661. This power generator is configured as shown in FIGS. 1 and 2, and a thermoelectric element module b is fixed to the upper and lower surfaces of a flat water tube a by bonding or brazing. As shown in FIG. 2, a power generation unit d constructed by integrally fixing fins c serving as passages is laminated in a wind tunnel e by connecting water outlets f provided at both ends of each water pipe a to each other. It has become. Each water pipe a is fixed integrally with a mounting long bolt h penetrating over a substrate g provided above and below in the wind tunnel e.
[0003]
In this configuration, the high-temperature gas flowing into the wind tunnel e is discharged to the downstream side through the fins c, c provided on the upper and lower surfaces of each power generation unit d, and during this time, one side surface of the thermoelectric element module b of the power generation unit d is removed. Heat. On the other hand, the other side surface of the thermoelectric element module b is cooled by circulating water in the water pipe a of each power generation unit d. As a result, a temperature difference occurs in each thermoelectric element module b in the thickness direction, and electric power is generated by the Seebeck effect or the like at this time, and is taken out and used.
[0004]
By the way, in the conventional power generation apparatus, the side end surfaces of the water pipe a having the predetermined thickness of each power generation unit, the thermoelectric element module b, and the fin c are opposed to the upstream side of the wind tunnel e. It was a composition.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the power generation apparatus described above, the side end surfaces of the water tubes a of the respective power generation units d, the thermoelectric element modules b, and the fins c become the collision surfaces of the wind in the wind tunnel e. It was a major cause of the pressure loss of the hot gas passing through. Further, the noise generated when the gas flow hits the power generation unit d was high.
[0006]
[Means for solving the problems and effects]
The present invention was made to solve the problems of the conventional power generator described above, and the power generator according to the present invention includes a flat water tube, thermoelectric element modules provided on both sides of the water tube, In a power generation apparatus in which a plurality of power generation units each including a fin substrate provided on the outer surface of a thermoelectric element module and fins provided on the outer surface of the fin substrate are arranged in a wind tunnel, a side end portion of the power generation unit Among them, it is the upstream side of the gas flow path in the wind tunnel, and has a configuration in which a rectifying plate is provided at the side end facing the gas flow. Through this, the heat of the gas flow is absorbed by the fins, and the heat is transmitted to one side surface of the thermoelectric element module through the fin substrate. On the other hand, water flows into and out of the water pipe through the water inlet / outlet, and the other side of the thermoelectric element module in contact with the water pipe is cooled, thereby generating electric power in the thermoelectric module. At this time, since the rectifying plate is provided on the upstream side in the gas flow direction of each power generation unit, the high-temperature gas flowing through the wind tunnel becomes a smooth flow without being disturbed at the side end portion of the power generation unit, and enters the fin portion. Inflow. For this reason, resistance to the gas flow by the power generation unit is reduced, pressure loss of the high-temperature gas passing through the wind tunnel can be reduced, and noise when the gas flow hits the power generation unit can be reduced.
[0007]
Further, in the power generation device, the current plate is supported on the fin substrate of the power generation unit, and the current plate is fixed to the downstream side in the gas flow direction in the wind tunnel of the power generation unit, and the length of the downstream current plate is further increased. By making the length longer than the upstream side, the gas flow through the fins flows smoothly without being disturbed. And since the upstream rectifying plate is short, the size of the upstream side of the power generation unit can be reduced, and the entire power generation device can be made compact.
[0008]
Further, in the above power generator, the width in the gas flow direction of both fin substrates disposed on both sides of the water pipe of the power generation unit is made wider than the width in the same direction of the water pipe, and the both fin substrates are disposed at both ends in the gas flow direction. In addition, since the fin substrates are coupled to each other at a position away from the water pipe, both fin substrates can be coupled to each other in a state along the surface of the thermoelectric module provided on both side surfaces of the water tube. Thus, the fin substrate can be fixed without any uncertain factors other than the surface accuracy of the thermoelectric element module. Accordingly, the fin substrate can be uniformly brought into contact with the surface of the thermoelectric element module, and heat from the fin can be efficiently transmitted to the thermoelectric element module side. Further, the member that couples the fin substrates does not come into contact with the water pipe, the water pipe and the fin board are thermally disconnected, and it is possible to prevent heat from escaping from the fin board to an extra portion.
[0009]
Furthermore, by connecting the wind tunnel of the power generator to the exhaust gas outlet of the incinerator, power can be generated from the exhaust heat from the incinerator, and the exhaust gas can be used effectively.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the figure, reference numeral 1 denotes a wind tunnel having a rectangular cross section, and a plurality of power generation units 2, 2,... Laminated and arranged at regular intervals.
[0011]
This power generation unit 2 is configured as shown in FIG. 4, and has a water pipe 3 which is flattened in the opening width direction of the wind tunnel 1 and whose upper and lower surfaces are flat, and is bonded to the upper and lower surfaces of the water pipe 3. A thermoelectric element module 4 fixed by such means, a fin substrate 5 brought into contact with the other surface of each thermoelectric element module 4, and directed toward the air path direction of the wind tunnel 1 on the other surface of the fin substrate 5. It consists of a fixed fin 7. The widths of the two fin substrates 5 and 5 are longer than the width of the water pipe 3 in the air passage direction, and both end portions in the air passage direction are coupled by bolts 8 and 8. The fin substrates 5 and 5 are coupled to the water pipe 3 in a state where the fin boards 5 and 5 are in contact with the thermoelectric element module 4 and sandwich the water pipe 3 therebetween.
[0012]
Each of the power generation units 2 is arranged in the flow path of the hot gas passing through the wind tunnel 1 in the wind tunnel 1, and the hot gas passes through the fins 7 located above and below the power generation unit 2. At this time, the area corresponding to the total thickness of the water pipe 3 and the fin substrates 5 and 5 of each power generation unit 2 obstructs the flow path of the high-temperature gas.
[0013]
Therefore, the rectifying plates 9 and 10 are attached to the upstream side and the downstream side of each power generation unit 2. The upstream rectifying plate 9 has a relatively large tip, for example, a semicircular shape with a radius of 1/2 of the thickness excluding the fins 7 of the power generation unit 2, and the downstream rectifying plate 10 The shape is long and extended to the downstream side of the barrel 1. Both rectifying plates 9 and 10 are fixed to the side end surfaces of the fin substrates 5 and 5 with an adhesive or screws (not shown).
[0014]
Water outlets 11 are provided at both longitudinal ends of the water pipe 3. As shown in FIG. 5, each water inlet / outlet port 11 includes a threaded connecting tube 12 fixed to the upper side of the water tube 3 and a stepped connecting tube 13 fixed to the lower side. The stepped contact tube 13 is loosely fitted with a nut member 14 that fits into the stepped portion of the stepped contact tube 13 and is screwed into the threaded contact tube 12.
[0015]
The power generation units 2 are stacked one after another by bringing the water inlet / outlet 11 of each water pipe 1 into contact with each other and overlapping the nut member 14 of the upper water pipe 1 with the threaded connecting pipe 12 of the lower water pipe 1. Combined. The threaded connecting tube 12 of the uppermost power generation unit is coupled to a fixed connecting tube 15 fixed to the wind tunnel 1 side by a nut member 14 that is loosely fitted thereto. Further, the lower side of the water inlet / outlet 11 of the water pipe 3 of the lowermost power generation unit is closed, and a support base 16 fixed to this portion is fixed to the wind tunnel 1 side. In the figure, 17 is a heat insulating material, and 18 is a seal member. In this way, the power generation units 2, 2,... Are stacked in the wind tunnel 1 by superimposing the water inlet / outlet ports 11 of the water pipes 3 and connecting the water outlets 11 with the nut members 14.
[0016]
In the above configuration, the hot gas flowing into the wind tunnel 1 hits each power generation unit 2, 2,... And flows out through the fins 7. At this time, since the rectifying plate 9 is on the upstream side of each power generation unit 2, the high-temperature gas flow flows smoothly into the fin 7 portion without being disturbed at the side end portion of the power generation unit 2. Further, the gas flow exiting the fin 7 is discharged to the downstream side of the wind tunnel 1 as a smooth flow without being swirled along the rectifying plate 10 attached to the downstream side of the power generation unit 2. To go. The heat of the high-temperature gas at this time is transmitted from the fins 7 to the fin substrate 5 and one side surface of the power generating element module 4 is heated.
[0017]
On the other hand, water is supplied to the water pipe 3 of each thermoelectric unit 2, 2... From the water inlet / outlet 11, and the water flows out from the other water inlet / outlet 11. The other surface of the thermoelectric element module 4 is cooled, so that an electromotive force is generated by the temperature difference between the upper and lower surfaces of the thermoelectric element module 4 to generate electric power.
[0018]
In the above embodiment, the fin substrate 5 is made of, for example, aluminum having good thermal conductivity in order to efficiently conduct the heat from the fins 7 to the thermoelectric element module 4. On the other hand, since the current plates 9 and 10 should be light and have heat insulation properties, synthetic resins such as bakelite and ceramics are used. The fin substrate 5 may be integrated with aluminum.
[0019]
The shape of the current plate 9, 10 is not particularly limited as long as it does not disturb the fluid flow. If the tip of the upstream rectifying plate 9 is rounded, even if the flow direction of the fluid is slightly deviated, this is allowed and the flow is not disturbed. Further, the flow of the upstream side rectifying plate 9 may be smoother as long as possible, but the upstream side is shortened for compactness. The upstream rectifying plate 9 is extremely important for reducing the fluid resistance for the gas flow through the power generation unit 2, but the downstream rectifying plate 10 can be allowed as a device without the downstream rectifying plate 10. And when providing this, it is effective for prevention of generation | occurrence | production of a vortex | eddy_current to lengthen as much as possible downstream.
[0020]
If the height of the fin 7 of each power generation unit 2 is too high, it is difficult for heat from the tip of the fin 7 to be transferred to the thermoelectric element module 4 side, and the fin efficiency eventually decreases. Therefore, in order to increase the fin efficiency, it is preferable that the height of the fin 7 is somewhat low. In order to efficiently transmit the fins 7 having a low height to the thermoelectric element module 4 side, the thickness of the fin substrate 5 interposed between the fins 7 and the thermoelectric element module 4 is increased. Since the fin substrate 5 is made of a material having good thermal conductivity (aluminum) and has a large heat path, the heat absorbed by the fins 7 can be instantaneously concentrated on the thermoelectric element module 4. At this time, the thickness of the power generation unit 2 with respect to the gas flow increases by the thickness of the fin substrate 5 and the resistance of the gas flow increases. This is because the rectifying plates 9 and 10 are provided at the side end portions of the power generation unit 2. It is solved by attaching.
[0021]
In this type of power generation unit 2, the efficiency is poor unless the thermoelectric element module 4 and the fin substrate 5 are in uniform contact. In the above embodiment, the fin substrate 5 is thick and rigid, and the fin substrates are coupled to each other by the bolts 8 and 8 on both sides in the width direction and on both sides in the width direction of the water pipe 3. By fastening the bolts 8 and 8 so that the fastening force is equal on both sides, the two fin substrates 5 and 5 can be brought into uniform contact with the surface of the thermoelectric element modules 4 and 4 fixed to the water pipe 3. it can. At this time, for example, even if the bolt 8 is made of metal, the heat of the fin substrate 5 is not transmitted to the water tube 3 through the bolt 8.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially broken exploded perspective view showing a power generation unit of a conventional power generation apparatus.
FIG. 2 is a partially broken exploded perspective view showing a conventional power generator.
FIG. 3 is a side view showing a power generator according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a main part of the power generator according to the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a connecting portion of a water pipe of a power generator according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Wind tunnel 2 ... Power generation unit 3 ... Water pipe 4 ... Thermoelectric element module 5 ... Fin board 7 ... Fin 8 ... Bolt 9, 10 ... Current plate 11 ... Water inlet / outlet 12 ... Screwed tube 13 ... Stepped tube 14 ... Nut member 15 ... fixed connecting pipe 16 ... support base 17 ... heat insulating material a ... water pipe b ... thermoelectric element module c ... fin d ... power generation unit e ... wind tunnel f ... water inlet / outlet g ... substrate h ... long bolt