JP4986925B2 - 熱発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱発電素子の高温側をバーナの熱により加熱して発電を行う熱発電装置に関する。

熱発電素子は、周知のようにＮ型半導体とＰ型半導体との間に閉回路が形成され、高温側と低温側とに温度差を付与することにより起電力が得られる。熱発電素子から得られた電力は他の電気部品に供給したり、バッテリ等に蓄電することができる。

従来、下記特許文献１に見られるように熱発電素子をバーナの火炎により加熱して発電を行う装置が知られている。この装置では、フィンを備える加熱プレートに熱発電素子の高温側を密着させ、フィンをバーナの火炎の近傍（直上）に配置させることにより、火炎の熱を直接的にフィンによって吸熱して熱発電素子に供給している。

また、それ以外には、下記特許文献２に見られるように熱発電素子を内燃機関の排ガス流路に配設して排気ガスの熱により発電を行う装置が知られている。この装置では、排ガス流路を流動する排ガスが有する熱を排ガス流路内に突出するフィンにより吸熱し、フィンに密着させた熱発電素子によって発電が行われるようになっている。
特開平１１−５５９７５号公報 特開平１１−１２２９６０号公報

しかし、特許文献１の装置では、バーナの火炎による熱を直接フィンで受けることによりフィンに密着する熱発電素子の高温側を加熱する構成であるために、多数の熱発電素子を設けた場合には、それに応じて火炎の形成面積の広いバーナを用いる必要がある。即ち、より多くの電力を得るために多数の熱発電素子を設けた場合、各熱発電素子の高温側に密着するフィンの全てを加熱可能な火炎を形成する必要がある。このために、バーナが大型化し、装置をコンパクトに構成することが困難となる。

一方、特許文献２の装置では、排ガスが有する熱は、火炎から直接得られる熱に比べて温度が低く、フィンによる熱吸収を効率よく行う必要があることから、排ガス流路内へのフィンの突出量が比較的大きくなる。このため、この構成を火炎による直接加熱に採用すると熱発電素子の加熱に伴いフィンの先端への熱負荷が極めて大きくなり、フィンの耐久性が低下するおそれがあるだけでなく、フィンの劣化により熱発電素子に対して均一な加熱配分が得られず、発電効率が低くなる不都合がある。

本発明は、以上の点に鑑み、コンパクトに構成することができ、しかも複数の熱発電素子に対する加熱温度配分の高低差が少なく発電効率の高い熱発電装置を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、燃焼加熱手段と、該燃焼加熱手段の熱により発電する複数の熱発電素子とを備える熱発電装置において、前記燃焼加熱手段は、燃焼板の表面に火炎を形成する輻射式バーナと、該輻射式バーナの排気の流動を案内する排気流動部とを備え、該排気流動部は、排気の流動方向の上流側から下流側にかけて内部が次第に狭くなる形状に形成されていると共に、上流側に位置し、前記輻射式バーナから輻射熱を受けつつ排気を案内する第１案内壁と、該第１案内壁の下流側に連設され、排気熱を受けつつ排気を案内する第２案内壁と、該第２案内壁の下流側に連設されて排気熱を受けつつ排気を案内し、終端に排気出口が形成された第３案内壁とを備え、各熱発電素子は、前記第１案内壁の外側面と前記第２案内壁の外側面と前記第３案内壁の外側面との夫々に高温側を密着させて取り付けられ、前記第１案内壁と前記第２案内壁とは、排気流動部の内部に向かって突出する複数の集熱フィンが形成された集熱部を備え、前記第１案内壁の集熱部は、前記第２案内壁の集熱部よりも集熱フィンの最大突出寸法が小とされていることを特徴とする。

本発明は、前記燃焼加熱手段が輻射式バーナを備えることにより、輻射式バーナから輻射熱と燃焼排気熱とを得ることができる。そこで、前記排気流動部においては、輻射式バーナからの輻射熱を受ける範囲に位置する前記第１案内壁に集熱部を設け、輻射式バーナの輻射熱により該第１案内壁の外側面に取り付けた熱発電素子を加熱する。これによって、熱発電素子の起電力はその殆どが輻射熱によって得ることができ、第１案内壁の集熱部の集熱フィンの最大突出寸法を比較的小さくすることができ、コンパクトとなる。

一方、前記第２案内壁の集熱部においては、輻射式バーナの燃焼排気熱から吸熱し、該第２案内壁の外側面に取り付けた熱発電素子を加熱する。このとき、前記第１案内壁の集熱部は、前記第２案内壁の集熱部よりも集熱フィンの最大突出寸法が小とされているので、第１案内壁を通過する排気熱の低下が抑制される。特に、輻射式バーナは輻射熱生成に伴い排気熱が減少するが、第１案内壁の集熱部では集熱フィンの最大突出寸法が小さく形成されていて排気熱からの吸熱量が小さいので、燃焼排気は十分に高温の状態で第２案内壁の集熱部に接する。これにより、輻射熱生成による排気熱の減少分を第２案内壁の集熱部に備える最大突出寸法が大きな集熱フィンの集熱により補うことができ、このように第１案内壁と第２案内壁とで集熱フィンの最大突出寸法の大小が調整されていることにより、第１案内壁と第２案内壁との温度分布を均一化することができる。

更に、排気流動部は、排気の流動方向の上流側から下流側にかけて内部が次第に狭くなる形状に形成されているので、第２案内壁を経て第３案内壁に沿って流れる燃焼排気の速度が増加する。そして、流速が増した燃焼排気によって第３案内壁を十分に加熱することができ、第３案内壁を絞って（狭くして）燃焼排気の流速を適度に調整しておくことにより、第１案内壁及び第２案内壁と第３案内壁との温度分布を均一化することができる。また、これにより、第３案内壁においては第１案内壁や第２案内壁に設けられているような集熱フィンを不要とすることができ、排気出口における燃焼排気の圧力損失を抑えて燃焼排気の円滑な流動を得ることができる。

このように、本発明によれば、排気流動部の各案内壁の外側面に熱発電素子が配設されていても、排気の流動方向に沿って温度分布を均一化することが可能であるので、各熱発電素子に対する加熱温度配分の高低差を少なくして発電効率の高い熱発電装置を提供することができる。また、第１案内壁において輻射熱を受ける集熱フィンの突出寸法が小さく第２案内壁において排気熱を受ける集熱フィンの突出寸法が大きいことにより、集熱フィンの温度が必要以上に高くなるならず、集熱フィンの耐久性の低下を防止することができる。更に、輻射熱と排気熱とを用いて第１案内壁から第３案内壁にわたる温度分布を均一化することができるので、従来のようにバーナを大型化させることなく複数の熱発電素子を加熱することができ、コンパクトに構成することができる。

また、本発明において、前記熱発電素子は、前記排気流動部の各案内壁毎に、排気の流動方向に交差する横方向に所定間隔を存して複数配設され、前記集熱部は、各熱発電素子に対応して、排気の流動方向に交差する横方向に所定間隔を存して複数配設されていることを特徴とする。

複数の熱発電素子は、排気の流動方向に沿って（即ち縦方向に沿って）配列するだけでなく、横方向にも配列させて設けることで、より多くの電力を得ることができる。このとき、前記集熱部を、横方向に並ぶ熱発電素子の並び方向に沿って連続して設けると、夫々の案内壁においては、熱発電素子の高温側が密着する位置での熱吸収により温度低下が生じ、横方向に隣合う熱発電素子の間隔位置では熱吸収が少ない分、温度が高くなるので、各案内壁毎に横方向に均一な温度分布を得ることができない。

そこで、本発明においては、複数の集熱部を、各熱発電素子の高温部が密着する位置に対応するように横方向に所定間隔を存して配設することにより、熱発電素子の高温部が密着する位置での集熱量を増加させる。こうすることにより、各熱発電素子による局部的な熱吸収を集熱部による集熱により補うことができると同時に、横方向に隣合う熱発電素子の間隔位置での温度上昇を抑えることができ、温度分布を横方向に均一化することができる。従って、本発明によれば、横方向に並ぶ熱発電素子に対しても加熱温度配分の高低差を少なくすることができ、発電効率を一層向上させることができる。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態の熱発電装置の構成をその一部を取り除いて示す説明図、図２は排気流動部をその一側壁を取り除いて示す説明的斜視図、図３は一方の第１案内壁の説明的横断面図、図４は一方の第２案内壁の説明的横断面図、図５（ａ）は本実施形態の第１案内壁における温度測定点とその温度を示す説明図、図５（ｂ）は比較例の第１案内壁における温度測定点とその温度を示す説明図である。

本実施形態の熱発電装置１は、図１に示すように、燃焼加熱手段２と熱発電素子３とを備えている。熱発電素子３は、高温側３ａと低温側３ｂとに温度差を付与することにより起電力が得られるものであり、燃焼加熱手段２により高温側３ａが加熱される。また、熱発電素子３の低温側３ｂには、内部に冷却媒体が供給される冷却ブロック４が密着して取り付けられている。熱発電素子３から得られた電力は、図外の電気部品や蓄電池等に送られる。

燃焼加熱手段２は、図１に示すように、輻射熱と燃焼排気とを生成する輻射式バーナ５と、該輻射式バーナ５を収容して支持するバーナ支持部６と、該バーナ支持部６の上方に延びて、輻射式バーナ５から発生する燃焼排気の上昇方向への流動を案内する排気流動部７とを備えている。

輻射式バーナ５は、図１に示すように、バーナ本体８の上部開口面にセラミック製の燃焼板９を装着し、混合管１０を介してバーナ本体８内に供給される燃料ガスと一次空気の混合気を燃焼板９に形成した多数の炎孔から噴出させて燃焼させるように構成されている。

排気流動部７は、図１及び図２に示すように、互いに対向する一対の第１側壁１１と、両第１側壁１１の対向方向に直行する方向に対向する一対の第２側壁１２（図示は一方のみ）とにより構成され、輻射式バーナ５から発生する燃焼排気は第１側壁１１及び第２側壁１２に包囲された内部を流動する。両第１側壁１１には、夫々、下方から順に、第１案内壁１３と第２案内壁１４と第３案内壁１５とが設けられている。

両第１案内壁１３は、上端が互いに接近する方向に傾斜して、対向間隔が次第に狭くなり、両第１案内壁１３の内面側で輻射式バーナ５からの輻射熱が受けられるようになっている。また、両第１案内壁１３の外側面には、排気の流動方向に交差する横方向に所定間隔を存して複数（本実施形態においては２つ）の熱発電素子３を取り付けるための第１密着部１６が設けられている。各第１密着部１６には、夫々の熱発電素子３の高温側３ａが密着する。

更に、図３に示すように、両第１案内壁１３の内側面には、内部に向かって突出する複数の第１集熱フィン１７が形成され、この第１集熱フィン１７が形成されている部分により第１集熱部１８が形成されている。第１集熱部１８は、第１集熱フィン１７の形成されていない部分を間隔として複数部分に形成されている。各第１集熱部１８は、各第１密着部１６に対応する位置に有り、第１密着部１６の面積よりも少し大きな範囲にわたって形成されている。

両第２案内壁１４は、図１及び図２に示すように、夫々の下端が第１案内壁１３の上端に連接されている。両第２案内壁１４も、上端が互いに接近する方向に傾斜して、対向間隔が次第に狭くなるが、内面側で受ける輻射式バーナ５からの輻射熱は両第１案内壁１３よりも小さい。また、両第２案内壁１４の外側面には、排気の流動方向に交差する横方向に所定間隔を存して複数（本実施形態においては２つ）の熱発電素子３を取り付けるための第２密着部１９が設けられている。各第２密着部１９には、夫々の熱発電素子３の高温側３ａが密着する。

更に、図４に示すように、両第２案内壁１４の内側面には、内部に向かって突出する複数の第２集熱フィン２０が形成され、この第２集熱フィン２０が形成されている部分により第２集熱部２１が形成されている。第２集熱部２１は、第２集熱フィン２０の形成されていない部分を間隔として複数部分に形成されている。各第２集熱部２１は、各第２密着部１９に対応する位置に有り、第２密着部１９の面積よりも少し大きな範囲にわたって形成されている。

そして、図３及び図４に示すように、第１集熱フィン１７の最大突出寸法ａは、第２集熱フィン２０の最大突出寸法ｂよりも小さい。

両第３案内壁１５は、図１及び図２に示すように、夫々の下端が第２案内壁１４の上端に連接されている。両第３案内壁１５は互いに略平行に上方に延び、上端において排気出口２２が形成される。また、両第３案内壁１５の外側面には、排気の流動方向に交差する横方向に所定間隔を存して複数（本実施形態においては２つ）の熱発電素子３を取り付けるための第３密着部２３が設けられている。各第３密着部２３には、夫々の熱発電素子３の高温側３ａが密着する。また、両第３案内壁１５の内側面は略平滑に形成されており、内部を燃焼排気が円滑に流動できるようになっている。なお、燃焼排気の流動が円滑に得られる範囲であれば、例えば両第３案内壁１５の内側面から極僅かに突出する集熱フィンを設けてもよい。

次に、以上のように構成された熱発電装置１の作動を説明する。輻射式バーナ５が燃焼すると、輻射式バーナ５からは輻射熱と燃焼排気とが生成される。輻射式バーナ５の輻射熱は、この輻射熱を受けるように傾斜している第１案内壁１３に当たり、その熱が第１密着部１６を経て熱発電素子３の高温側３ａを加熱する。同時に、輻射式バーナ５の燃焼排気が第１集熱部１８の第１集熱フィン１７に接触しつつ上昇し、燃焼排気が有する熱の一部が第１集熱フィン１７により集熱される。これにより、輻射熱と燃焼排気熱とで熱発電素子３の高温側３ａが加熱される。熱発電素子３は低温側３ｂが冷却ブロック４により冷却されていることにより高温側３ａと低温側３ｂとに温度差が生じ、これによって電力が生成させる。このとき、第１集熱フィン１７はその突出寸法が比較的小さいことから、燃焼排気が有する熱を過剰に奪うことはなく、燃焼排気はその温度低下が抑えられた状態で第２案内壁１４に向かう。

第２案内壁１４では、燃焼排気が第２集熱部２１の第２集熱フィン２０に接触しつつ上昇し、燃焼排気が有する熱が第２集熱フィン２０により集熱されて、第２密着部１９に密着している熱発電素子３の高温側を加熱する。第２案内壁１４は、輻射式バーナ５からの距離が第１案内壁１３よりも遠いことから輻射式バーナ５の輻射熱が届きにくいが、その分、第２集熱フィン２０は第１集熱フィン１７より突出寸法が大きいことにより、燃焼排気から十分に集熱することができる。そして、これによって、第１案内壁１３と第２案内壁１４との温度分布が均一化され、第１密着部１６の熱発電素子３と第２密着部１９の熱発電素子３とで高低差の少ない加熱温度配分が得られる。

第２案内壁１４を経て流動する燃焼排気は、第１案内壁１３から第２案内壁１４にわたって対向間隔が次第に狭くなることにより、流速を増して両第３案内壁１５間を通過する。第３案内壁１５では、短時間で多量の燃焼排気が通過することにより、多くの熱が燃焼排気から集熱され、その熱が第３密着部２３を経て熱発電素子３の高温側３ａを加熱する。このとき、両第３案内壁１５間を通過する燃焼排気は、第１集熱フィン１７及び第２集熱フィン２０を通過したことで、ある程度温度が低下しており、第３密着部２３が過剰に加熱されることはない。しかも、両第３案内壁１５の内側面には集熱フィンを設けなくてもよいことにより、圧力損失が抑制できる。従って、第１案内壁１３、第２案内壁１４、及び第３案内壁１５の間の温度分布が均一化され、排気の流動方向に沿って配設された各密着部１６，１９，２３間で高低差の少ない加熱温度配分が得られる。

ここで、発明者は、各密着部１６，１９，２３の夫々の温度を測定した結果、燃焼排気による目標加熱温度を６５０℃としたとき、最も低い温度を挙げれば第１密着部１６、第２密着部１９、第３密着部２３の順で、６３０℃、６００℃、６２０℃となっており、各密着部１６，１９，２３間で高低差の少ない加熱温度配分が得られることが確認できた。なお、本実施形態の構成と比較するため、第１集熱部１８及び第２集熱部２１を設けることなく、第１案内壁１３から第３案内壁１５にわたってその内側面を平滑に形成したもので同様の温度測定を行ったところ、第１密着部１６、第２密着部１９、第３密着部２３の順で、５５０℃、５００℃、６６０℃となっており、本実施形態の構成によって良好な加熱温度配分が得られることが明らかとなった。

また、第１案内壁１３及び第２案内壁１４においては、所定間隔を存して横並びに配列された熱発電素子３に対応して、第１集熱部１８及び第２集熱部２１が何れも所定間隔を存して横並びに形成されている。これによれば、横方向に並ぶ熱発電素子３に対しても加熱温度配分の高低差を少なくすることができる。

即ち、本発明者は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、燃焼排気による目標加熱温度を６５０℃とした場合において、本実施形態の第１案内壁１３の外側面と比較例３０の第１案内壁３１の外側面とで複数の温度測定点Ａ〜Ｇにおける加熱温度を測定して比較した。比較例３０の第１案内壁３１は、本実施形態の第１集熱部１８と同じ形状の第１集熱フィンが形成された第１集熱部３２を備えるが、この第１集熱部３２は、横並びに配列された熱発電素子６の密着部３３に沿って連続しており、各熱発電素子６に対応する間隔を形成していない。その結果、図５（ｂ）に示すように、比較例３０の第１案内壁３１では、加熱温度の最も高い部分（測定点Ｄ）と加熱温度の最も低い部分（測定点Ａ，Ｇ）との温度差が１２０℃であったのに対し、図５（ａ）に示すように、本実施形態の第１案内壁１３では、加熱温度の最も高い部分（測定点Ｄ）と加熱温度の最も低い部分（測定点Ａ，Ｇ）との温度差が５０℃であり、横方向に並ぶ熱発電素子３に対して加熱温度配分の高低差が少ないことが確認できた。

なお、本実施形態の排気流動部７は、図２に示すように、各案内壁１３，１４，１５の境界が屈曲しているが、各案内壁１３，１４，１５を直線状に連続させて構成してもよい。

また、本実施形態の排気流動部７は、角筒状に形成されて、一対ずつ対向する各案内壁１３，１４，１５がその対向間隔を狭めることによって、排気の流動方向の上流側から下流側にかけて内部が次第に狭くなる形状に形成されているが、それ以外に、図示しないが、排気流動部は円筒状に形成することもできる。しかし、本実施形態の排気流動部７は、角筒状に形成することで、各案内壁１３，１４，１５における熱発電素子３の取付面積を狭めることなく、上流側から下流側にかけて内部を次第に狭くすることができ、多数の熱発電素子３を備えていながらコンパクトに構成できる点で有利である。

本発明の一実施形態の熱発電装置の構成をその一部を取り除いて示す説明図。 排気流動部をその一側壁を取り除いて示す説明的斜視図。 一方の第１案内壁の説明的横断面図。 一方の第２案内壁の説明的横断面図。 （ａ）は本実施形態の第１案内壁における温度測定点とその温度を示す説明図、（ｂ）は比較例の第１案内壁における温度測定点とその温度を示す説明図。

符号の説明

１…熱発電装置、２…燃焼加熱手段、３…熱発電素子、３ａ…高温側、５…輻射式バーナ、７…排気流動部、９…燃焼板、１３…第１案内壁、１４…第２案内壁、１５…第３案内壁、１７，２０…集熱フィン、１８，２１…集熱部、２２…排気出口。

Claims (2)

1. 燃焼加熱手段と、該燃焼加熱手段の熱により発電する複数の熱発電素子とを備える熱発電装置において、
   前記燃焼加熱手段は、燃焼板の表面に火炎を形成する輻射式バーナと、該輻射式バーナの排気の流動を案内する排気流動部とを備え、
   該排気流動部は、排気の流動方向の上流側から下流側にかけて内部が次第に狭くなる形状に形成されていると共に、上流側に位置し、前記輻射式バーナから輻射熱を受けつつ排気を案内する第１案内壁と、該第１案内壁の下流側に連設され、排気熱を受けつつ排気を案内する第２案内壁と、該第２案内壁の下流側に連設されて排気熱を受けつつ排気を案内し、終端に排気出口が形成された第３案内壁とを備え、
   各熱発電素子は、前記第１案内壁の外側面と前記第２案内壁の外側面と前記第３案内壁の外側面との夫々に高温側を密着させて取り付けられ、
   前記第１案内壁と前記第２案内壁とは、排気流動部の内部に向かって突出する複数の集熱フィンが形成された集熱部を備え、
   前記第１案内壁の集熱部は、前記第２案内壁の集熱部よりも集熱フィンの最大突出寸法が小とされていることを特徴とする熱発電装置。
2. 前記熱発電素子は、前記排気流動部の各案内壁毎に、排気の流動方向に交差する横方向に所定間隔を存して複数配設され、
   前記集熱部は、各熱発電素子に対応して、排気の流動方向に交差する横方向に所定間隔を存して複数配設されていることを特徴とする請求項１記載の熱発電装置。

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