(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉された胴と、
前記胴内に両端がその胴から外部に延出されるように交互に配置された、高温流体が流通するｐ型素子製伝熱管およびｎ型素子製伝熱管と、
前記胴内に低温流体を供給するための低温流体入口と、
前記胴内の前記各伝熱管の間を流通した後の流体を外部に排出するための低温流体出口と、
前記ｐ型素子製伝熱管およびｎ型素子製伝熱管の両端にそれら伝熱管が直列接続するように交互に取付けられた電極と
を具備したことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
低温流体および高温流体を交互にかつ流れ方向が互いに逆になるように流通される複数の流路を有し、これら流路を区画する流路壁はｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料から交互に形成され、かつ電極は前記各流路壁の両端にそれら流路壁が直列接続するように交互に取付けられていることを特徴とする熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱電変換を利用した発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術を図３〜図４に示す。図３は、従来の熱電発電器を示す図。図４は、従来の熱電発電器の作動流体の温度分布を示す図である。
【０００３】
熱電発電器は、ｐ型とｎ型の熱電材料を組み合わせた熱電対を多数直列に接続し、高温端と低温端の温度差に比例して発生する熱起電力を電力として取り出す装置である。
【０００４】
従来の技術は、図３に示すようにｐ型素子１０１とｎ型素子１０２を電極１０３を用いて接続した熱電対を、さらに電極で多数電気的に直列に接続して熱電モジュールを構成して伝熱面とする。
【０００５】
高温流体１０５と低温流体１０６のシールおよびモジュールの強度的支持のため、モジュールは通常支持パネル１０４を持つ。高温流体１０５と低温流体１０６は、熱電モジュールの両面にそれぞれ供給され、モジュールを介して熱交換を行うため、モジュール内には厚み方向に温度差が発生する。
【０００６】
モジュールは熱電素子からなる熱電対で構成されているため、起電力が発生し発電を行うことができる。電極は、熱電素子を接続して熱電対を構成すると同時に、電力を取り出す際に電流を取り出す役割も担っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術には、次のような問題がある。
【０００８】
（１）従来の熱電発電器と作動流体の温度分布は、図４に示すように流体は伝熱面に沿って温度分布を持ち、高温流体と低温流体の入口温度差に比べて、熱電発電器の両面の温度差は小さく（斜線部）、発電器の効率は低い。
【０００９】
（２）発電効率を高めるためには、モジュールの両面の温度差を大きくする必要がある。
【００１０】
このとき、低温流体の出口温度が下がり低温流体のエクセルギが低下する。
【００１１】
（３）モジュールの厚みを増して温度差を拡大すると、モジュールを通過する熱流束が低下し、伝熱面が広くなり、発電器が大型化する。本発明は、これらの問題を解決することができる装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱電発電装置は、密閉された胴と、
前記胴内に両端がその胴から外部に延出されるように交互に配置された、高温流体が流通するｐ型素子製伝熱管およびｎ型素子製伝熱管と、
前記胴内に低温流体を供給するための低温流体入口と、
前記胴内の前記各伝熱管の間を流通した後の流体を外部に排出するための低温流体出口と、
前記ｐ型素子製伝熱管およびｎ型素子製伝熱管の両端にそれら伝熱管が直列接続するように交互に取付けられた電極と
を具備したことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明に係る別の熱電発電装置は、低温流体および高温流体を交互にかつ流れ方向が互いに逆になるように流通される複数の流路を有し、これら流路を区画する流路壁はｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料から交互に形成され、かつ電極は前記各流路壁の両端にそれら流路壁が直列接続するように交互に取付けられていることを特徴とするものである。
【００１４】
すなわち、本発明の熱電発電装置は、伝熱面を熱電材料で構成し、流体の流れ方向に生じる伝熱面の温度勾配による温度差を利用して熱起電力を発生させて発電を行う熱交換器により構成される。
【００１５】
したがって、次のように作用する。
【００１６】
（１）ｐ型、ｎ型それぞれの素子が伝熱面を形成するため、伝熱面の流れ方向の温度差がそのまま素子の温度差となり、素子の温度差は、伝熱面の厚み方向に配置する場合に比べて大きく、発電効率が高い。
【００１７】
（２）伝熱面の厚み方向に温度差を維持する必要がないため、伝熱面の厚みを薄くすることが出来、発電器をコンパクトにすることが出来る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施形態を図１に示す。図１は、シェルチューブ型熱交換器の形状に熱電発電装置を構成した例を示す。
【００１９】
図１に於いて、１はｐ型素子製伝熱管、２はｎ型素子製伝熱管、３は電極、５は邪魔板、６は高温流体ヘッダ、７は胴、８は高温流体入口、９は高温流体出口、１０は低温流体入口、１１は低温流体出口である。
【００２０】
前記胴７は密閉され、両端に壁１２で区画された前記高温流体ヘッダ６がそれぞれ形成されている。この胴７の左上部には、低温流体１０５を供給される前記胴７内に供給するための前記低温流体入口１０が設けられ、かつ前記胴７の右下部には前記胴７内の低温流体を排出するための前記低温流体出口１１が設けられている。前記高温流体ヘッダ６は、高温流体１０６を前記各伝熱管１，２に供給する働きおよび各伝熱管１，２から排出された高温流体１０６を集める役割を担っている。前記各高温流体ヘッダ６のうち、一方（図１の右側）の高温流体ヘッダ６には高温流体１０６を供給するための前記高温流体入口８が、他方（図１の左側）の高温流体ヘッダ６には集められた高温流体１０６を排出するための前記高温流体出口９がそれぞれ設けられている。
前記ｐ型素子製伝熱管１およびｎ型素子製伝熱管２は、前記胴７内にそれらの伝熱管１，２の両端が前記壁１２を貫通してその胴７から外部（前記各高温流体ヘッダ６）に延出されるように交互に配置されている。
【００２１】
前記電極３は、前記各高温流体ヘッダ６内に位置する前記ｐ型素子製伝熱管１およびｎ型素子製伝熱管２の両端にそれら伝熱管１，２が直列接続するように交互に取付けられている。前記邪魔板５は、前記胴７内に供給される低温流体の流速を増大させて熱伝達率の向上を図っている。
【００２２】
このような構成の熱電発電装置において、高温流体１０６は右側の高温流体入口８から高温流体ヘッダ６に供給され、ここから各伝熱管１、２の内部を左へ流れ、高温流体ヘッダ６を通して高温流体出口９から排出される。低温流体１０５は、低温流体入口１０から胴７内の左端上部に供給され、各伝熱管１、２の間を左から右に流通し、胴７の右端下部で低温流体出口１１から排出される。このように各伝熱管１，２内を流通する高温流体と各伝熱管１，２外面の一端から他端に流れる低温流体とによる前記ｐ型素子製伝熱管１およびｎ型素子製伝熱管２における流体の流れ方向（つまり各伝熱管の長手方向）におおきな温度差が生じ、これに比例して大きな起電力が発生する。この起電力は、電極３から電力として取り出される。
なお、本実施形態において一般的な胴側複数パスの熱交換器の形状を模したもので、邪魔板は必ずしも必要はない。
【００２３】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態を図２に示す。
【００２４】
図２は、熱電発電器をコンパクトな熱交換器の形状に構成した例を示す。
【００２５】
この熱電発電器は、図２に示すように矩形断面を有する複数、例えば３つの流路を備えている。これら流路を区画する流路壁はｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料から交互に形成されている。すなわち、ｐ型素子製流路壁２１は、上段の流路の上壁として配置され、かつ中段の流路と下段の流路を区画している。ｎ型素子製流路壁２２は、上段の流路と中段の流路を区画すると共に、下段の流路の下壁として配置されている。このようなｐ型素子製流路壁２１およびｎ型素子製流路壁２２で伝熱面を構成し、コンパクト熱交換器を構成する。電極２３は、前記ｐ型素子製流路壁２１およびｎ型素子製流路壁２２をそれらの両端でそれらの流路壁２１，２２が直列接続されるように交互に取付けられている。
高温流体１０６は、前記上段および下段の流路に図２の右側から供給され、左へ流れる。低温流体１０５は、前記中段の流路に図２の左側から供給され、右へ流れる。すなわち、前記低温流体１０５および高温流体１０６は、前記３つの流路に交互にかつ流れ方向が互いに逆になるように流通される。これによって、上段および中段の流路において伝熱面（前記ｎ型素子製流路壁２２）を挟んで２つの流体が接し熱交換され、かつ中段および下段の流路において伝熱面（前記ｐ型素子製流路壁２１）を挟んで２つの流体が接し熱交換される。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は前述のように構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００２７】
（１）流体の熱交換により、ｐ型素子製伝熱管１およびｎ型素子製伝熱管２（またはｐ型素子製流路壁２１およびｎ型素子製流路壁２２）には高温流体の流れ方向に流体の温度変化に相当する温度差が生じ、起電力が発生する。これを電力として取り出すことで伝熱管（または流路壁）の長手方向の熱伝導による損失から電力を回収することが出来る。
【００２８】
（２）熱交換器は多数の伝熱管を用いて構成されるので、これらを直列に接続することで、熱電対を多数接続したと同様の熱電モジュールを構成することが出来る。
【００２９】
（３）伝熱管は、１つの素子で構成されるため、異材接合部を最低限に抑えることが出来る。
【００３０】
（４）伝熱面の裏表に温度差を与えるために、伝熱面を厚くする必要がなく、発電器をコンパクトに構成することが出来る。
【００３１】
（５）素子の温度差は、流体の流れ方向の温度分布により維持されるため、素子の熱電物性の内、熱電導率の影響が低下し、熱伝導率が高く性能指数が低い熱電材料でも効率よく発電することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る熱電発電器を示す図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る熱電発電器を示す図。
【図３】従来の熱電発電器を示す図。
【図４】従来の熱電発電器の作動媒体の温度分布を示す図。
【符号の説明】
１…ｐ型素子製伝熱管、２…ｎ型素子製伝熱管、３…電極、５…邪魔板、６…高温流体ヘッダ、７…胴、８…高温流体入口、９…高温流体出口、１０…低温流体入口、１１…低温流体出口、１２…壁、２１…ｐ型素子製流路壁、２２…ｎ型素子製流路壁、１０５…低温流体、１０６…高温流体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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