(57)【要約】【課題】簡単な構造でありながら、発電用エンジン２５の廃熱を電気エネルギーとして効率よく回収できるようにする。【解決手段】本願発明の熱電発電装置３０は、排気ガスが流れる配管３１と、低温側と高温側との温度差によって発電する平板状の熱電モジュール３３を有する複数の熱電ユニット３２とを備える。前記各熱電モジュール３３の高温側を前記排気ガスで加熱する。前記配管３１内には、前記各熱電モジュール３３の高温側に設けた集熱フィン４６を突出させると共に、前記排気ガスを前記各集熱フィン４６側に送り込む熱媒体案内部材としての遮蔽体５０を配置する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体が流れる配管と、低温側と高温側との温度差によって発電する平板状の熱電モジュールを有する複数の熱電ユニットとを備え、前記各熱電モジュールの高温側を前記配管内の前記熱媒体で加熱する熱電発電装置において、
前記配管内には、前記各熱電モジュールの高温側に設けた集熱フィンを突出させると共に、前記熱媒体を前記各集熱フィン側に送り込む熱媒体案内部材を配置している、
熱電発電装置。
【請求項２】
前記配管内には、前記熱媒体案内部材として、前記配管内部の断面積を狭める遮蔽体を前記配管の内周面から適宜離して配置し、前記配管の内周面と前記遮蔽体の外周面との間に前記各集熱フィンを位置させる、
請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項３】
前記遮蔽体の上流側を上流先端部に近付くに連れて先窄まり状に形成している、
請求項２に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれかに記載の熱電発電装置を、船体内に搭載した内燃機関の排気経路に配置している、
船舶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、熱電発電装置及びこれを備えた船舶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばタンカーや輸送船等の船舶においては、各種補機、荷役装置、照明、空調その他機器類の消費する電力量が膨大であり、これら電気系統に電力を供給するため、発電用ディーゼルエンジン（以下、発電用エンジンという）と、発電用エンジンの駆動によって発電する発電機とを組み合わせたディーゼル発電機を複数備えている（例えば特許文献１等参照）。船舶の主ディーゼルエンジン（以下、主エンジンという）から放出される廃熱を回収して高温高圧の蒸気を生成し、当該蒸気を発電用の動力源に用いたり、給湯用の熱源に用いたりする廃熱回収システムは公知である（例えば特許文献２等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３４１７４２号公報
【特許文献２】特開２００７−１３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
各種エンジンの廃熱を電気エネルギーとして効率よく回収することは、各種エンジンのエネルギーコストの削減だけでなく、環境負荷の低減といった点からも重要である。しかし、特許文献１及び２に記載の技術では、発電用エンジンからの廃熱を電気エネルギーとして回収することを考慮していない。仮に、主エンジンに対する廃熱回収システムを各発電用エンジンに適用したとしても、廃熱回収システム全体として構造の大型化を招来するばかりか、構造も複雑化して製造工数及び部品点数が増大し、製造コストが嵩むことになると考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の点を解消する方策として、環境負荷の低いエネルギー変換技術の一つである熱電発電技術を、発電用エンジンに対する廃熱回収システムに適用することが挙げられる。熱電発電技術は、金属又は半導体等からなる熱電モジュールの両端側に温度差を与えて起電力を生じさせるゼーベック効果を利用したものであり、熱エネルギーを直接的に電気エネルギーに変換できる。本願発明者らは、このような熱電発電技術に着目し、更に改良を加えて本願発明を完成させるに至った。
【０００６】
請求項１の発明は熱電発電装置に係り、熱媒体が流れる配管と、低温側と高温側との温度差によって発電する平板状の熱電モジュールを有する複数の熱電ユニットとを備え、前記各熱電モジュールの高温側を前記配管内の前記熱媒体で加熱する熱電発電装置において、前記配管内には、前記各熱電モジュールの高温側に設けた集熱フィンを突出させると共に、前記熱媒体を前記各集熱フィン側に送り込む熱媒体案内部材を配置しているというものである。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の熱電発電装置において、前記配管内には、前記熱媒体案内部材として、前記配管内部の断面積を狭める遮蔽体を前記配管の内周面から適宜離して配置し、前記配管の内周面と前記遮蔽体の外周面との間に前記各集熱フィンを位置させるというものである。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項２に記載の熱電発電装置において、前記遮蔽体の上流側を上流先端部に近付くに連れて先窄まり状に形成しているというものである。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１〜３のうちいずれかに記載の熱電発電装置を、船体内に搭載した内燃機関の排気経路に配置しているというものである。
【発明の効果】
【００１０】
本願発明によると、熱媒体が流れる配管と、低温側と高温側との温度差によって発電する平板状の熱電モジュールを有する複数の熱電ユニットとを備え、前記各熱電モジュールの高温側を前記配管内の前記熱媒体で加熱する熱電発電装置において、前記配管内には、前記各熱電モジュールの高温側に設けた集熱フィンを突出させると共に、前記熱媒体を前記各集熱フィン側に送り込む熱媒体案内部材を配置しているから、前記熱媒体案内部材の存在によって前記各集熱フィン側に前記熱媒体をスムーズに供給でき、前記熱媒体の熱（廃熱）を効率よく前記各集熱フィンに伝達できる。前記熱媒体から前記各集熱フィンへの集熱効率が高く、発電効率を向上できる。
【００１１】
また、請求項２の発明によると、前記配管内には、前記熱媒体案内部材として、前記配管内部の断面積を狭める遮蔽体を前記配管の内周面から適宜離して配置し、前記配管の内周面と前記遮蔽体の外周面との間に前記各集熱フィンを位置させるから、前記配管の内周面と前記遮蔽体の外周面との間に前記熱媒体を積極的に供給して、流速を上げ且つ温度差を確保することにより、前記熱媒体から前記各集熱フィンへの集熱効率をより一層向上でき、発電効率向上に貢献する。
【００１２】
請求項３の発明によると、前記遮蔽体の上流側を上流先端部に近付くに連れて先窄まり状に形成しているから、前記先窄まり状の上流先端部によって前記配管と前記遮蔽体との間に前記熱媒体をスムーズに案内でき、前記遮蔽体による前記熱媒体の流れ抵抗の増加を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態における船舶の全体側面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ視正面断面図である。
【図３】排気経路に設けた熱電発電装置を示す概略正面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ視横断面図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ視縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本願発明を具体化した実施形態を、船舶に搭載される熱電発電装置に適用した場合の図面（図１〜図５）に基づいて説明する。
【００１５】
図１に示すように、実施形態における船舶１は、船体２と、船体２の船尾側に設けたキャビン３（船橋）と、キャビン３の後方に配置したファンネル４（煙突）と、船体２の後方下部に設けたプロペラ５及び舵６とを備えている。この場合、船尾側の船底７にスケグ８を一体形成している。スケグ８には、プロペラ５を回転駆動させる推進軸９を軸支している。船体２内の船首側及び中央部には船倉１０を設けている。船体２内の船尾側には機関室１１を設けている。
【００１６】
機関室１１には、プロペラ５の駆動源である主エンジン２１（実施形態ではディーゼルエンジン）及び減速機２２と、船体２内の電気系統に電力を供給するための発電装置２３とを配置している。主エンジン２１から減速機２２を経由した回転動力によって、プロペラ５が回転駆動する。機関室１１の内部は、上甲板１３、第２甲板１４、第３甲板１５及び内底板１６によって上下に仕切られている。実施形態では、機関室１１最下段の内底板１６上に主エンジン２１及び減速機２２を据え付け、機関室１１中段の第３甲板１５上に発電装置２３を据え付けている。なお、詳細な図示は省略するが、船倉１０は複数の区画に分割している。
【００１７】
図２に示すように、発電装置２３は、発電用エンジン２５（実施形態ではディーゼルエンジン）と、発電用エンジン２５の駆動によって発電する発電機２６とを組み合わせたディーゼル発電機２４を複数台（実施形態では３台）備えたものである。ディーゼル発電機２４は基本的に、船体２内の必要電力量に対応して効率的に稼働するように構成している。例えば大量の電力を消費する航行時等には、全てのディーゼル発電機２４を稼働させ、比較的電力消費の少ない停泊時等には、任意の台数のディーゼル発電機２４を稼働させる。
【００１８】
各発電機２６の作動によって生じた発電電力は船体２内の電気系統に供給される。詳細な図示は省略するが、電力トランスデューサが各発電機２６に電気的に接続している。電力トランスデューサは各発電機２６による発電電力を検出するものである。
【００１９】
各発電用エンジン２５には、空気取り込み用の吸気経路（図示省略）と排気ガス排出用の排気経路２７とを接続している。吸気経路を通じて取り込まれた空気は、発電用エンジン２５の各気筒内（吸気行程の気筒内）に送られる。各気筒の圧縮行程完了時に、燃料タンクから吸い上げた燃料を燃料噴射装置によって気筒毎の燃焼室内に圧送し、各燃焼室によって混合気の自己着火燃焼に伴う膨張行程が行われる。
【００２０】
各発電用エンジン２５の排気経路２７は、ファンネル４まで延びていて外部に直接連通している。前述の通り、発電用エンジン２５は三基あるため、排気経路２７は三本存在する。各排気経路２７の下流側には、発電用エンジン２５から放出される排気ガスの排気音を減衰させる消音器２８を設けている。各排気経路２７の中途部（具体的には消音器２８よりも上流側）には、発電用エンジン２５からの廃熱（熱媒体である排気ガスの熱）を電気エネルギーに変換する熱電発電装置３０を設けている。各発電用エンジン２５から放出される排気ガスは、排気経路２７、熱電発電装置３０及び消音器２８を介して船舶１外に放出される。熱電発電装置３０は機関室１１の上部側に配置している。実施形態では、機関室１１上段の第２甲板１４上に熱電発電装置３０を設置している。
【００２１】
図３〜図５に示すように、各排気経路２７の中途部に設けた熱電発電装置３０は、熱媒体としての排気ガスが内部を流れる略筒状の配管３１と、低温側と高温側との温度差によって発電する平板状の熱電モジュール３３を有する複数の熱電ユニット３２とを備えていて、各熱電モジュール３３の高温側を排気ガスで加熱するように構成している。熱電発電装置３０の配管３１を挟んだ両側に、排気経路２７を構成する上流側排気管３４と下流側排気管３５とが振り分けて位置している。上流側排気管３４の排気下流側の開口端部に、外周方向に突出する上流フランジ３６を取り付けている。下流側排気管の排気上流側の開口端部に、外周方向に突出する下流フランジ３７を取り付けている。配管３１の排気方向両端側の開口端部には、外周方向に突出する連結フランジ３８を取り付けている。
【００２２】
上流側排気管３４と下流側排気管３５との間に配管３１を介挿している。ガスケット（図示省略）を介して上流フランジ３６と排気上流側の連結フランジ３８とを突き合わせ、両フランジ３６，３８をボルト３９及びナット４０の複数組で締結している。また、ガスケット（図示省略）を介して下流フランジ３７と排気下流側の連結フランジ３８とを突き合わせ、両フランジ３７，３８をボルト３９及びナット４０の複数組で締結している。その結果、上流側排気管３４、配管３１及び下流側排気管３５が着脱可能に連結される。各発電用エンジン２５から放出された熱媒体としての排気ガスは、排気経路２７において上流側排気管３４から熱電発電装置３０の配管３１を経て下流側排気管３５に流れる。
【００２３】
図４に示すように、各熱電発電装置３０の配管３１は断面多角形状に形成している。実施形態の配管３１は、断面四角形状の筒体のコーナ部を面取りしたような断面八角形状の形態である。換言すると、実施形態の配管３１は、広幅の平面部４１と面取り部４２とを交互に連ねた断面八角形の筒形状になっている。配管３１の各平面部４１には熱電ユニット３２群を取り付けている。
【００２４】
この場合、各平面部４１には、板厚方向に貫通する矩形状の開口穴４３を、排気方向に長い二列並列のマトリクス状に並べて形成している。各平面部４１の外面側には、各開口穴４３の外周側を取り囲む取付枠４４を溶接等によって設けている。実施形態の取付枠４４は、周方向に隣り合う二つの開口穴４３の外周側を取り囲むように８字形状に形成している。そして、平面部４１の各開口穴４３を塞ぐように、熱電ユニット３２を各取付枠４４に装着している。
【００２５】
実施形態では、二列並列の開口穴４３を各平面部４１に形成し、一つの平面部４１に複数の取付枠４４を固定している。取付枠４４に熱電ユニット３２を装着している。従って、四平面に配置された熱電ユニット３２によって、熱電発電装置３０を構成している。
【００２６】
各熱電ユニット３２は、低温側と高温側との温度差によって発電する熱電モジュール３３と、低温側部材としての冷却ケース４５と、高温側部材としての集熱フィン４６とを備えている。
【００２７】
冷却ケース４５は内部に冷却水等の冷媒を循環させる通路を有している。各熱電ユニットの冷却ケース４５は、冷却パイプ（図示省略）を介して例えば各発電用エンジン２５の熱交換器に接続している。冷却ケース４５内の通路に熱交換器からの冷媒を流通させることによって、冷却ケース４５が冷却される。
【００２８】
熱電モジュール３３は、例えばＢｉ２Ｔｅ３等からなるｐ型とｎ型との二種類の半導体を電極によって交互に電気的に直列接続し、隣り合う電極間を絶縁したものである。各熱電モジュール３３は並列又は直列に接続され、そして、電気配線を介して電気的負荷に接続される。熱電モジュール３３の広幅一側面を冷却ケース４５内の冷媒で冷却し、熱電モジュール３３の広幅他側面を排気ガスに接触する集熱フィン４６からの熱で加熱することによって、熱電モジュール３３に起電力が発生し発電電力が取り出される。
【００２９】
集熱フィン４６は、取付枠４４における開口穴４３との対応箇所に被さる広幅な矩形平板状の基台４７に多数のフィン部４８を突設したものである。実施形態の集熱フィン４６は、アルミ合金、銅合金又はステンレス鋼等の熱伝導性が良好な金属の他、ＡｌＮやＳｉＣといった高熱伝導性のセラミクスで形成される。熱電モジュール３３と集熱フィン４６との間には、必要に応じて矩形平板状の断熱部材４９を介在させている。実施形態の断熱部材４９は、金属板又はセラミクス板を複数枚重ねて形成したものであり、例えば平均して３５０〜４００℃程度の排気ガスが当たる集熱フィン４６から熱電モジュール３３に伝達される熱を２００℃以下に抑制するように構成している。
【００３０】
各熱電ユニット３２を配管３１に装着する際は、取付枠４４を介して各熱電ユニット３２の集熱フィン４６のフィン部４８を開口穴４３に挿入して、配管３１内に集熱フィン４６のフィン部４８を突出させる。そして、集熱フィン４６の基台４７を取付枠４４に重ね合わせてボルト締結する。配管３１内に排気ガスが流入すると、各集熱フィン４６における配管３１内のフィン部４８に排気ガスが接触して、廃熱（排気ガスの熱）が集熱フィン４６で集熱される。各集熱フィン４６からの熱移動によって、各熱電モジュール３３の広幅他側面（高温側）が加熱される。各冷却ケース４５内には冷媒が流入して各熱電モジュール３３の広幅一側面（低温側）を冷却する。その結果、各熱電モジュール３３の低温側と高温側との間に温度差が生じて、各熱電モジュール３３に起電力が発生し発電する。
【００３１】
図４及び図５に示すように、配管３１内には、熱媒体である排気ガスを各集熱フィン４６側に送り込む熱媒体案内部材としての遮蔽体５０を配管３１の内周面から適宜離して配置している。実施形態の遮蔽体５０は、配管３１内部の断面積を狭める役割を担っていて、遮蔽体５０の基部を断面四角状に形成している。遮蔽体５０基部における四つの平坦部５１の外周面は、配管３１の四つの平面部４１の内周面にそれぞれ対峙している。配管３１と遮蔽体５０とは、両者３１，５０間の狭隘通路５２内に適宜隔てて配置した複数のブリッジ体５３を介して一体的に連設している。すなわち、配管３１と遮蔽体５０とは二重筒構造になっている。配管３１の各平面部４１の内周面とこれに対峙する遮蔽体５０基部の平坦部５１の外周面とは排気方向に沿って平行状に並んでいる。配管３１の各平面部４１の内周面とこれに対峙する遮蔽体５０基部の平坦部５１の外周面との間に、各集熱フィン４６のフィン部４８を位置させている。
【００３２】
この場合、配管３１の各平面部４１の内周面とこれに対峙する遮蔽体５０基部の平坦部５１の外周面とを排気方向に沿って平行状に並べているため、各熱電ユニット３２の集熱フィン４６の突出長さを一定にする場合に、配管３１の各平面部４１の内周面とこれに対峙する遮蔽体５０基部の平坦部５１の外周面との間で各集熱フィン４６のフィン部４８をできるだけ延ばして密に配置し易い。換言すると、各集熱フィン４６ひいては各熱電ユニット３２の構造を簡単に共通化できる。なお、遮蔽体５０の断面形状は配管３１の断面形状に対応させるのが好ましい。配管３１の各平面部４１の内周面とこれに対峙する遮蔽体５０基部の平坦部５１の外周面とを排気方向に沿って平行状に設定し易いからである。
【００３３】
遮蔽体５０の排気上流側は、上流先端部に近付くに連れて先窄まり状の錐体部５４になっている。実施形態の遮蔽体５０の錐体部５４は、基部が断面四角形状であるため、四角錐状である。配管３１内に単に遮蔽体５０を配置しただけでは、排気ガスの流れ抵抗が増加するが、遮蔽体５０の排気上流側に錐体部５４を形成しているため、錐体部５４によって配管３１と遮蔽体５０との間の狭隘通路５２に排気ガスをスムーズに案内でき、遮蔽体５０による排気ガスの流れ抵抗の増加が抑制される。錐体部５４の形状は遮蔽体５０の断面形状に対応させれば足りる。つまり、錐体部５４は四角錐状に限らず、その他多角錐状でも構わない。なお、遮蔽体５０の排気上流側は錐体部５４に構成するに限らず、狭隘通路５２に排気ガスをスムーズに案内できるものであれば、静翼や可動翼を設けてもよいし、螺旋形状のスクリュー体を設けてもよい。
【００３４】
以上の説明から明らかなように、実施形態では、排気ガスが流れる配管３１と、低温側と高温側との温度差によって発電する平板状の熱電モジュール３３を有する複数の熱電ユニット３２とを備え、前記各熱電モジュール３３の高温側を前記排気ガスで加熱する熱電発電装置３０において、前記配管３１を断面多角形状に形成し、前記配管３１の各平面部４１に前記熱電ユニット３２群を取り付けているから、断面多角形状の前記配管３１の外周面に前記複数の熱電ユニット３２を密に配置できる。このため、前記排気ガスからの集熱効率を向上でき、ひいては、前記熱電発電装置３０全体での発電効率を向上できる。
【００３５】
また、前記配管３１内には、前記各熱電モジュール３３の高温側に設けた集熱フィン４６を突出させると共に、前記排気ガスを前記各集熱フィン４６側に送り込む熱媒体案内部材としての遮蔽体５０を配置しているから、前記遮蔽体５０の存在によって、前記各集熱フィン４６側に前記排気ガスを積極的に供給でき、前記排気ガスの熱（廃熱）を効率よく前記各集熱フィン４６に伝達できる。前記排気ガスから前記各集熱フィン４６への集熱効率が高く、発電効率を向上できる。
【００３６】
また、前記配管３１内には、前記各熱電モジュール３３の高温側に設けた集熱フィン４６を突出させると共に、前記配管３１内部の断面積を狭める遮蔽体５０を前記配管３１の内周面から適宜離して配置し、前記配管３１の内周面と前記遮蔽体５０の外周面との間に前記各集熱フィン４６を位置させるから、前記配管３１の内周面と前記遮蔽体５０の外周面との間に前記排気ガスを積極的に送ることになり、簡単な構成でコスト抑制を可能でありながら、前記排気ガスから前記各集熱フィン４６への集熱効率をより一層向上でき、発電効率向上に貢献する。
【００３７】
その上、前記配管３１の前記各平面部４１の内周面とこれに対峙する前記遮蔽体５０の外周面とを平行状に設定しているから、前記各熱電ユニット３２の前記集熱フィン４６の突出長さを一定にする場合に、前記配管３１の前記各平面部４１の内周面とこれに対峙する前記遮蔽体５０の外周面との間で、前記各集熱フィン４６をできるだけ延ばして密に配置し易い。すなわち、前記各集熱フィン４６ひいては前記各熱電ユニット３２の構造を共通化でき、前記各熱電ユニット３２の汎用性向上に貢献する。
【００３８】
しかも、前記遮蔽体５０の上流側を上流先端部に近付くに連れて先窄まり状の錐体部５４に形成しているから、前記錐体部５４によって前記配管３１と前記遮蔽体５０との間の狭隘通路５２に前記排気ガスをスムーズに案内でき、前記遮蔽体５０による前記排気ガスの流れ抵抗の増加を抑制できる。
【００３９】
その他、各部の構成は図示の実施形態に限定されるものではなく、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。例えば本願の熱電発電装置３０を主エンジン２１の排気経路に配置してもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１  船舶
２  船体
４  ファンネル
１１  機関室
２１  主エンジン
２３  発電装置
２４  ディーゼル発電機
２５  発電用エンジン
２７  排気経路
３０  熱電発電装置
３１  配管
３２  熱電ユニット
３３  熱電モジュール
４１  平面部
４３  開口穴
４５  冷却ケース
４６  集熱フィン
４８  フィン部
４９  断熱部材
５０  遮蔽体
５１  平坦部
５４  錐体部
【図１】
2014195377.tif 000003
【図２】
2014195377.tif 000004
【図３】
2014195377.tif 000005
【図４】
2014195377.tif 000006
【図５】
2014195377.tif 000007