(57)【要約】【課題】  発電量と容積との関係で発電装置をコンパクト化する。未利用だった低温エネルギーを利用して無駄のない発電を行う。【解決手段】  発電装置は、断面多角形の輸送管Ｃ、Ｈを組み合わせて、隣接する輸送管の間に熱電素子１１を密着させて配する。容積比率で効率よく発電量を増大させることが出来る。この発電装置をベーパライザーに適用し、極低温のＬＰＧ等のガス化処理に用いれば、ガス化に必要な高温媒体の無駄なエネルギーロスを抑えて、極低温の液化天然ガスがもつ潜在的な発電エネルギー（低温エネルギー）を効率的に回収し利用することが出来る。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面多角形の輸送管を組み合わせて、隣接する輸送管の間に熱電素子を密着させて配することを特徴とする熱発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の熱発電装置を、液化ガスの輸送管の経路上に設けることを特徴とするベーパライザー。
【請求項３】
液化ガス蒸発器の熱交換器が熱発電装置であることを特徴とする請求項２記載のベーパライザー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温の流体と低温の流体の温度差に基づいて発電を行う熱発電装置に係り、とくに、装置のコンパクト化を図るとともに、未利用の潜在的発電エネルギーを回収してエネルギーロスのない発電を行う技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電素子は、素子の表裏の温度差に応じて電気的エネルギーを発生させる。このような熱電素子の用い方としては、従来、例えば特許文献１のように、河川水の表層と下層の水温差を利用して発電する装置や、特許文献２のように、バーナー装置を利用した強制的な温度差条件の創出による発電装置が知られている。
【特許文献１】特開２００２−１３６１６０号
【特許文献２】特開２００４−３５０３３５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、従来提案されている熱電素子利用の発電装置（熱発電装置）は、熱電素子を利用した発電の方法、換言すれば、熱電素子をどのように利用して発電を行うかという点に技術開発の着眼がおかれているのが実状であって、効率的な発電を行うための設計、とくに装置のコンパクト化を図る点までは考慮されていない。
【０００４】
そこで、本発明の第一の目的は、熱電素子に供給できる低温および高温の熱源の温度条件が同一の場合でも、容積比率でより効率的に大きな発電量を取得できる熱発電装置を提案することにある。
【０００５】
また、従来の熱発電装置は、河川水の深度の温度差、温泉水の利用のように自然エネルギーを利用するものや、強制加熱など人為的な温度差の創出を行うものとなっている。
【０００６】
しかし、自然に存在する熱エネルギーを利用する発電方式では、大きな温度差を得にくいという問題があるほか、温泉水のように高温水を利用するためには、温泉水を得るための掘削工事など発電のための初期投資が必要となるため、採算がとれない事態も想定される。強制加熱による発電方式は、単なるエネルギーの変換利用であり、あえて熱発電装置に応用しなくても他に同等以上の発電量を取得できる可能性があって、効率的な発電方式とは言い難い面がある。
【０００７】
そこで、本発明の第二の目的は、従来利用されなかった未利用の温度エネルギーを回収利用することによって大量の発電を可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記第一の目的を達成するため、請求項１に係る熱発電装置は、断面多角形の輸送管を組み合わせて、隣接する輸送管の間に熱電素子を密着させて配する。
【０００９】
この熱発電装置は、高温流体と低温流体の輸送管、例えば角管を格子状に組み合わせ、温度差が生じる部分に熱電素子を密着させて配するので、容積比率における発電効率が確実に向上し、装置構成のコンパクト化を実現できる。
【００１０】
請求項２は、前記第二の目的を達成するためのものである。これは、従来利用されることのなかった極低温の液化ガスの潜在エネルギーを発電用に利用するものである。
【００１１】
マイナス１００℃以下の液化ガスは、通常、これを利用するために加熱の処理を行っているが、極低温のマイナス温度は、潜在的な発電エネルギーであって、高温の熱媒体との強制的な熱交換を行う前に利用すべき重要な資源である。請求項２記載の発明は、液化ガスのガス化処理における強制的な熱供給の際に、極低温のマイナス温度を発電用エネルギーとして回収し利用するベーパライザーである。
【００１２】
請求項３は、液化ガス蒸発器の熱交換器が熱発電装置とするもので、液化ガスの熱交換を行うと同時に発電用の熱量を回収して利用する。極低温の液化ガスの潜在的な発電エネルギーを利用する箇所は、請求項２の構成では、ベーパライザーの熱交換器の前段でも後段でもよいのであるが、ベーパライザー自体のコンパクト化を図るうえでは、熱交換器そのものに請求項１記載の熱発電装置を適用することが最も望ましい。熱交換器のほかに、別途、熱発電装置を配する必要がないからである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の熱発電装置によれば、多角形の輸送管を組み合わせて、隣接する輸送管の間に熱電素子を配して熱発電を行うので、熱の交換接触面を最大に利用して発電装置のコンパクト化を図ることが出来る。
【００１４】
請求項２および請求項３のベーパライザーによれば、断面多角形の輸送管を組み合わせて液化ガスの低温度を利用した発電を行うため、液化ガスを強制的にガス化するための熱量の無駄な損失が抑えられ、エネルギーの回収／再利用という点で優れた発電システムを構築することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、請求項１に係る熱発電装置を例示するものである。この熱発電装置は、例えば、断面略正方形の輸送管を使用し、縦横それぞれ三列に配した、低温流体用の輸送管Ｃと高温流体用の輸送管Ｈを備えてなる。２０は、輸送管Ｃ、Ｈの外周に配した断熱材、２１は、輸送管Ｃ、Ｈを収めるためのケース体である。ケース体２１と断熱材２０は、輸送管Ｃ、Ｈに対する外気温の影響を最小にする。
【００１６】
低温流体用の輸送管Ｃと高温流体用の輸送管Ｈは、内面および外面が方形のいわゆる角管を利用することが望ましい。両者（Ｈ、Ｃ）の接合面に熱電素子１１を密着させやすいからである。
【００１７】
低温流体用の輸送管Ｃと高温流体用の輸送管Ｈとが接する部分には、低温流体と高温流体の温度差を利用した発電を行うための熱電素子１１を例えば直列に接続させて密着させて配設する。熱電素子１１を配すべき箇所を斜線で示した。熱電素子１１を配するときは、素子電極面の外側に絶縁材（例えばセラミック板）を配した素子ユニットを用いても良い。素子ユニットは、例えば熱伝導率が大きいシリコングリースなどを介して、輸送管Ｈ、Ｃとの間の空気層を除去するように接着剤やビス固定など適当な固定手段を用いて装着する。
【００１８】
１６は、ケース体２１の端部に配する蓋体である。この蓋体１６には、輸送管Ｃ、Ｈに対して流体を注入し、または流体を外部に排出させるためのパイプの接続孔１７を設けておく。パイプの接続孔１７に、例えばカプラ（継手）を接続する等によって、低温または高温の流体を供給または排出する。
【００１９】
なお、輸送管Ｃ、Ｈの製造コストを十分に低減できるようになるまでは、輸送管Ｃ、Ｈを短く成形して表面に熱電素子１１を配したモジュールを利用しても良い。図２に示すように、モジュールＭは、縦横寸法を、例えば１５５ｍｍ程度の立方体に成形し、外周面に例えば３０ｍｍ角の熱電素子１１を縦横五列×五列に配して、輸送管Ｃ、Ｈの長さを適宜連接して自由な長さに調整できるようにしておく。目的とする発電量、高温流体あるいは低温流体の流量、平均温度、気体／液体の相違などにより、輸送管Ｃ、Ｈを構成するモジュールＭの断面積、前後方向の長さ、表面に密着して配する熱電素子１１の数も、適宜設計変更してかまわない。
【００２０】
このように、輸送管Ｃ、Ｈを格子状に配した熱発電装置によれば、例えば９本の輸送管Ｃ、Ｈを用いて１２面の熱電素子１１の装着面を得る。この実施形態では１面につき例えば２５個の熱電素子１１を配するので、全体としては９本の輸送管Ｃ、Ｈにつき、モジュールＭの一単位で３００個の熱電素子１１が搭載可能となる。モジュールＭの接続段数を増加させれば、熱電素子１１の数を任意に増大させることが出来る。
【００２１】
この熱発電装置は、空間的な余裕の少ない箇所における省スペース型の発電に適する。例えば、自動車のエンジンルームに搭載し、高温熱源としてエンジンの廃熱またはエンジンを冷却させた高温水を、低温熱源としてエンジン冷却前の水または外気を利用する等である、自動車のエンジンルームのように、スペースが限られている箇所では輸送管Ｃ、Ｈの断面寸法も小さく設計してよい。
【００２２】
図３は、輸送管Ｃ、Ｈを格子状に配する熱発電装置を、液化ガス（例えばＬＰＧ）を加熱によってガス化する装置（ベーパライザー）に適用する場合を例示するものである。通常のベーパライザーは、ＬＰＧタンク３０の低温流体を螺旋形の輸送管に導き、加熱した温水によって低温流体を温める。図２において、符号３５は、ＬＰＧタンク３０の低温流体を加熱するための熱交換器であり、内部には、通常のベーパライザーと同様に、ＬＰＧタンク３０から供給される低温流体の流路となる螺旋形の輸送管３１を配してある。そして、輸送管３１を、ボイラ装置３２によって加熱した温水３３によって加熱する。３４は、温水３３によってガス化された流体を貯蔵するガス貯留部である。
【００２３】
通常のベーパライザーとの相違は、熱交換器３５の前段（流体経路の上流）に、格子状に配列した角管（Ｃ、Ｈ）を利用した熱発電装置を設ける点にある。この熱発電装置は、すでに説明したように例えば三列×三列に配した格子状の角管（Ｃ、Ｈ）の間に熱電素子１１を備え、極低温の液化ガスを通す輸送管Ｃと、ボイラ装置３２によって加熱した温水３３を通す輸送管Ｈとを格子状に配することで、大きな温度差に基づく発電を行うものである。３６は、熱電素子１１によって得た電力を蓄える蓄電装置である。なお、熱交換器３５に温水を供給するボイラ装置３２と、輸送管Ｈに温水を供給するボイラ装置は別体として構成しても良い。
【００２４】
従って、かかるベーパライザーによれば、熱交換器３５においてＬＰＧの加熱を行う前に極低温のＬＰＧの冷熱を利用した発電を行い、温水との熱交換によって流体温度が上昇したＬＰＧを熱交換器３５によって加熱する構造とするため、ＬＰＧをガス化するための熱量を電気的エネルギーとして効率よく回収できるとともに、熱交換器３５において必要となる強制加熱用の熱的エネルギーを確実に低減することが可能になる。
【００２５】
図４は、請求項１に係る熱発電装置を利用したベーパライザーの他の構成を例示するものである。このベーパライザーは、螺旋形の輸送管（３１）をもった熱交換器（３０）を使用せず、すべて、格子状の輸送管Ｃ、Ｈの間に熱電素子１１を配した熱発電装置を通してＬＰＧを強制的に加熱してガス化する。
【００２６】
ＬＰＧの流路として螺旋形の輸送管（３１）を用いないため、この場合には、装置を小型化するために、断面から見た場合の格子状の輸送管Ｃ、Ｈの数を増やすことが望ましい。例えば、上下／左右の輸送管Ｃ、Ｈの数を五列×五列あるいはそれ以上とする等である。また、空間的な余裕があれば、適当な長さに設計したモジュールの接続段数を増やして熱発電装置の左右幅（流体経路の上流から下流までの距離）を大きくとることも出来る。３８は温水をボイラ装置３２に戻す等の熱媒回収部、３９はヘッダーである。
【００２７】
かかる構造によれば、ＬＰＧの低温エネルギーと、ＬＰＧをガス化するために必要な高温の熱エネルギーとの熱交換時に、熱交換のエネルギーを最大効率で回収し、電気的エネルギーとして利用することが出来る。熱的エネルギーの差異を電気的エネルギーに変換するときの効率は、もっぱら熱電素子１１の性能に依存するが、熱電素子１１に与え得る熱的エネルギーの差としては大きな発電量を期待できる。ベーパライザーで発生する電気は、蓄電装置またはレギュレーターなどを介して例えば照明、ガス検知器、温度センサーなどに利用できる。このように、ＬＰＧのガス化のために無駄に捨てられていた熱量分を電気的エネルギーに変換して利用できるので、ＬＰＧのガス化事業にとっても経済効率は格段に高まるし、いわゆる京都議定書に基づくエネルギー資源の効率的利用という趣旨にも合致する。
【００２８】
なお、本発明に係るベーパライザーにおいて利用する液化ガスの平均温度は、天然ガス（−１６０℃）、水素（−２５３℃）、プロパンガス（−４２℃）、酸素（−１８３℃）、窒素（−１９６℃）、アルゴン（−１８６℃）、ヘリウム（−２６９℃）、アンモニア（−３３℃）、炭酸ガス（−７８．５℃）等である。
【００２９】
熱電素子１１を選定する際には、流体（例えば天然ガス、ＬＮＧ）の平均温度を勘案することが望ましい。室温以下を低温、室温から数百度までを中温、数百度以上を高温とした場合、ベーパライザーのように低温流体を利用するときは例えばビスマス・テルルを使用することが出来る。またベーパライザー以外のもので、高温流体の温度に適合する熱電素子１１を選定する際には、中温用としては例えば鉛・テルル、高温用は珪素化合物（シリサイド等）を使用することが出来る。
【００３０】
本発明に係る熱発電装置に用いる輸送管は、内面と外面が断面方形のものに限定されない。輸送管は、少なくとも外面が、隣接する輸送管との組み合わでコンパクトに設計できるものであれば良い。従って、例えば図５に示すように断面略三角形の輸送管Ｃ、Ｈを組み合わせて、全体形状を例えば六角形とし、輸送管Ｃ、Ｈの接合面に熱電素子５１を配しても良い。輸送管の外形は断面五角形以上でも良い。例えば断面六角形の形状は、耐圧性にも優れ、組み合わせによる装置のコンパクト化も容易である。
【００３１】
低温用の輸送管Ｃと高温用の輸送管Ｈの数は同一である必要はない。例えば、図５のように、輸送管Ｃ、Ｈの使用本数が少ない場合は、例えば、高温流体を通す輸送管Ｈが低温流体を通す輸送管Ｃを挟む状態で配置する等、流体温度の変化と発電量とを勘案して輸送管Ｃ、Ｈを組み合わせる。熱交換による高温流体と低温流体の温度変化の意味合いは、発電装置を適用するシステムによって異なるため、一方の輸送管が他方の輸送管を挟む状態で配設することが好ましい場合が少なくない。例えば、ベーパライザーでは、低温流体であるＬＮＧはガス化するまでに多大な熱エネルギーを必要とする一方、高温流体である温水はＬＮＧとの熱交換によって急速に温度が低下しやすい。このような場合、高温流体を通す輸送管Ｈの本数を、低温流体用の輸送管Ｃの本数より増やしておけば、温水の温度低下を抑えつつＬＮＧを加熱することが出来る。
【００３２】
また、輸送管の外形と内部の孔の形状は一致しなくても良い。例えば、断面略正方形の輸送管の内部の孔（流体経路）が円形であっても構わない。熱効率を高めるためには肉厚を一定とすることが望ましいが、耐圧性を高めるなど、種々の事情で肉厚を一定にすることが好ましくない場合もあるからである。
【００３３】
図３に示したベーパライザーは、高温水を利用した熱交換器３５を用いるように図示してあるが、ＬＮＧなどのガス化では工場の温排水や高温排ガスあるいはバーナ火炎を利用した熱交換器を用いる場合もある。熱交換器の前段に輸送管を組み合わせた発電装置を配置するに際しては、温水利用かバーナ利用かなどといった、熱交換器のタイプによる区別はする必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る熱発電装置を断面とともに例示する図である。
【図２】本発明に係る熱発電装置に適用できるモジュールを例示する斜視図である。
【図３】図１の熱発電装置を用いたベーパライザーの第一の実施形態を示す図である。
【図４】図１の熱発電装置を用いたベーパライザーの第二の実施形態を示す図である。
【図５】本発明に係る熱発電装置の他の実施形態を断面から例示する図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１、５１  熱電素子
１６  蓋体
１７  接続孔
２０  断熱材
２１  ケース体
３０  ＬＰＧタンク
３１  （螺旋形の）輸送管
３２  ボイラ装置
３４  ガス貯留部
３５  熱交換器
３６  蓄電装置
３８  熱媒回収部
３９  ヘッダー
Ｍ  モジュール
Ｃ、Ｈ  輸送管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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