(57)【要約】【課題】廃熱回収発電用熱電モジュールを提供する。【解決手段】本発明の廃熱回収発電用熱電モジュールは、ボイラーの排煙路の熱電モジュール取付口に装設され、その構造は、取付板及びモジュールフレームを有すると共に取付板には収容口が開設される取付部、及び第一熱電変換部を備える。前記第一熱電変換部は、蒸発端及び凝縮端を有するヒートパイプ部と、これら前記ヒートパイプの凝縮端が共に内部にキャストされる高温側アルミニウム板と、高温側アルミニウム板の上面及び底面をそれぞれ被覆させる１対の低温側アルミニウム板と、高温端が高温側アルミニウム板に各々貼り合わせられ、低温端が低温側アルミニウム板に各々貼り合わせられ、高温側アルミニウム板と低温側アルミニウム板との間の温度差を利用して電流を発生させる複数の熱電チップとを更に備える。第一熱電変換部は蒸発端が取付板の収容口内に貫入されると共に排煙路内の高温廃熱ガスに接触させる。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラーに適用され、前記ボイラーは高温廃熱ガスを排出させるための排煙路に連通され、前記排煙路の側壁には前記排煙路の内部空間を外界の空間に連通させる熱電モジュール取付口が設置され、前記熱電モジュールは前記熱電モジュール取付口に装設される廃熱回収発電用熱電モジュールであって、
取付板及びモジュールフレームを有し、前記取付板には収容口が開設され、前記モジュールフレームの深さは前記排煙路の内部空間に収容可能である取付部と、
第一熱電変換部と、を備え、
前記第一熱電変換部は、
並行に配列される複数のヒートパイプで構成され、これら前記ヒートパイプは蒸発端及び凝縮端を有するヒートパイプ部と、
高温側アルミニウム板であって、これら前記ヒートパイプの凝縮端は共に前記高温側アルミニウム板の内部にキャストされ、且つ前記高温側アルミニウム板に緊密に接触される高温側アルミニウム板と、
前記高温側アルミニウム板の上面及び底面をそれぞれ被覆させる１対の低温側アルミニウム板と、
高温端が前記高温側アルミニウム板に各々貼り合わせられ、低温端が前記低温側アルミニウム板に各々貼り合わせられ、前記高温側アルミニウム板と前記低温側アルミニウム板との間の温度差を利用して電流を発生させる複数の熱電チップと、を更に含み、
前記第一熱電変換部は前記蒸発端が前記取付板の前記収容口内に貫入され、且つ前記排煙路内の高温廃熱ガスに接触させることを特徴とする、
廃熱回収発電用熱電モジュール。
【請求項２】
前記低温側アルミニウム板の内部には水冷管路が設置され、前記水冷管路は管材が前記低温側アルミニウム板中にキャストされることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収発電用熱電モジュール。
【請求項３】
前記水冷管路は４入４出の水出／入口を有し、これら前記水出／入口の口径は前記水冷管路の管径より大きいことを特徴とする請求項２に記載の廃熱回収発電用熱電モジュール。
【請求項４】
前記ボイラーの前記排煙路から離間する一側に設置され、前記ボイラーの燃焼により発生した高温廃熱ガスが前記排煙路中に吹き入れられて排出される送風機を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収発電用熱電モジュール。
【請求項５】
前記熱電モジュールは、これら前記熱電チップに電気的に接続されると共にこれら前記熱電チップが発生させる電流が蓄電される蓄電部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収発電用熱電モジュール。
【請求項６】
前記熱電モジュール取付口及び前記取付板には対応し合う螺合構造が設置されることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収発電用熱電モジュール。
【請求項７】
前記熱電モジュールは第二熱電変換部を更に備え、前記第二熱電変換部の構造は第一熱電変換部と同じであり、前記第二熱電変換部のこれら前記ヒートパイプは交錯して前記第一熱電変換部のこれら前記ヒートパイプの隙間位置に対応するように設置されることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収発電用熱電モジュール。
【請求項８】
前記熱電変換部のこれら前記ヒートパイプ及び水平面はチルト角を有し、前記凝縮端は前記蒸発端よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収発電用熱電モジュール。
【請求項９】
これら前記熱電チップは前記高温側アルミニウム板の各ヒートパイプの凝縮端に対応させる位置に貼り合わせられることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収発電用熱電モジュール。
【請求項１０】
これら前記ヒートパイプにはフィン式ヒートパイプが採用されることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収発電用熱電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電モジュールに関し、更に詳しくは、廃熱回収発電に適用される熱電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、熱電材料の性能が技術的に絶えず進化を続けている。環境保護のために温室効果ガスや二酸化炭素を削減する等の理由により、熱電変換技術を利用して大量の廃熱を回収して電気エネルギーに変換する方式が日米欧等の先進国で重視されている。
廃熱を再利用して熱電発電の競争力を高めるため、新興の応用研究ではごみの焼却で出る余熱、製鋼所から排出される余熱、車及び発動機の排ガスの余熱を利用して熱電発電を行い、補助電源として車に提供する研究が進められている。
【０００３】
熱電発電器に必要な熱源として、現在国内で利用可能な余熱エネルギーの種類は工業的熱エネルギー（例えば、工業の高低温の温度差により排出される熱エネルギー、廃棄物の熱エネルギー、熱交換器の熱エネルギー）、交通機関から排出される熱エネルギー（例えば、ガソリン車の熱エネルギー）、天然熱エネルギー（例えば、太陽熱エネルギー／温泉の地熱）、他の熱エネルギー（例えば、熱水の温度差による熱エネルギー、住宅機器の熱エネルギー、その他の業者が発生させる熱エネルギー）等がある。
【０００４】
工場の余熱を利用する上では他の種類の発電技術の方が効率が高いが、高温環境下で操作する必要があり、１５０℃より低い作業環境では利用不可能であった。熱電発電は中低温の熱エネルギーを利用するため、温度差発電は重要な選択肢であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決を目指す主要な問題は、工業用ボイラーから排出される廃熱ガスの高温特性を利用し、熱電材料が温度差で発生させる電流と組み合わせて使用し、高温廃熱ガスの高温を回収してエネルギーを生成するために応用することによりエネルギーを回収して再利用する効果を達成させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の廃熱回収発電用熱電モジュールは、ボイラーに適用され、前記ボイラーは高温廃熱ガスを排出させるための排煙路に連通され、前記排煙路の側壁には前記排煙路の内部空間を外界の空間に連通させる熱電モジュール取付口が設置され、前記熱電モジュールは前記熱電モジュール取付口に装設され、取付板及びモジュールフレームを有し、前記取付板には収容口が開設され、前記モジュールフレームの深さは前記排煙路の内部空間に収容可能である取付部と、第一熱電変換部とを備え、前記第一熱電変換部は、並行に配列される複数のヒートパイプで構成され、これら前記ヒートパイプは蒸発端及び凝縮端を有するヒートパイプ部と、高温側アルミニウム板であって、これら前記ヒートパイプの凝縮端は共に前記高温側アルミニウム板内部にキャストされ、且つ前記高温側アルミニウム板に緊密に接触される高温側アルミニウム板と、前記高温側アルミニウム板の上面及び底面をそれぞれ被覆させる１対の低温側アルミニウム板と、高温端が前記高温側アルミニウム板に各々貼り合わせられ、低温端が前記低温側アルミニウム板に各々貼り合わせられ、前記高温側アルミニウム板と前記低温側アルミニウム板との間の温度差を利用して電流を発生させる複数の熱電チップとを更に含む。
前記第一熱電変換部は前記蒸発端が前記取付板の前記収容口内に貫入され、且つ前記排煙路内の高温廃熱ガスに接触させる。
【０００７】
本発明の好ましい実施形態では、前記低温側アルミニウム板内部には水冷管路が設置され、前記水冷管路は管材が前記低温側アルミニウム板中にキャストされる。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態では、前記水冷管路は４入４出の水出／入口を有し、これら前記水出／入口の口径は前記水冷管路の管径より大きい。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態では、前記ボイラーの前記排煙路から離間する一側に設置され、前記ボイラーの燃焼により発生した高温廃熱ガスが前記排煙路中に吹き入れられて排出される送風機を更に備える。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態では、前記熱電モジュールは、これら前記熱電チップに電気的に接続されると共にこれら前記熱電チップが発生させる電流が蓄電される蓄電部を更に備える。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態では、前記熱電モジュール取付口及び前記取付板には対応し合う螺合構造が設置される。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態では、前記熱電モジュールは第二熱電変換部を更に備え、前記第二熱電変換部の構造は第一熱電変換部と同じである。前記第二熱電変換部のこれら前記ヒートパイプは交錯して前記第一熱電変換部のこれら前記ヒートパイプの隙間位置に対応するように設置される。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態では、前記熱電変換部のこれら前記ヒートパイプ及び水平面はチルト角を有し、前記凝縮端は前記蒸発端よりも高い。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態では、これら前記熱電チップは前記高温側アルミニウム板の各ヒートパイプの凝縮端に対応させる位置に貼り合わせられる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態では、これら前記ヒートパイプにはフィン式ヒートパイプが採用される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に関わる廃熱回収発電用熱電モジュールは以下の効果を有する。
１．工業ボイラーから排出される廃熱ガスの高温を有効利用し、熱電材料の特性と結合させ、高温廃熱ガスの高温と室温または冷却温度との温度差を利用して電流を発生させ、廃熱を回収して新たなエネルギーとして再利用して運用する。
２．着脱式カートリッジ形態を呈する装置のモジュール構造により、装着及び交換が便利になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱電モジュールがボイラー設備に応用される装置位置図を示す概略図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に係る熱電モジュール装置を示す概略図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態に係る熱電熱電変換部の構成を示す概略図である。
【図２Ｃ】本発明のヒートパイプ作用を示す概略図である。
【図２Ｄ】本発明の熱電チップの取付け位置及び発電の応用を示す概略図である。
【図２Ｅ】本発明の一実施形態の水冷管路及び水入／出口の構成を示す概略図である。
【図２Ｆ】本発明の他の実施形態の水冷管路及び水入／出口の構成を示す概略図である。
【図３Ａ】本発明の他の実施形態の熱電モジュールの正面から見た概略図である。
【図３Ｂ】本発明のさらなる他の実施形態の熱電モジュールの上面から見た概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明に係る廃熱回収発電用熱電モジュールを図面に基づいて詳細に説明する。なお、各実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例】
【００１９】
本発明に係る熱電チップは熱電材料で製造され、熱電材料に電流が通電された後に高低温の両端が発生し、冷却及び保温のどちらにも使用可能となる。両端が異なる温度に接触した場合、熱電材料は内部の回路に電流を形成させ、温度差が大きくなる程発生する電流も強くなる。すなわち、熱電材料は外界の熱源から電力を発生させることができる。
【００２０】
現在、エネルギー情報ネットワークのデータ情報によると、毎年工業大手が排出する余熱量は約３．９百万原油換算キロリットルであり、８００億元の価値がある。この内、２５０℃以下の余熱が占める割合は約７５％であり、技術的理由及び国内の低価格エネルギーの制限のために回収して利用することができておらず、遺憾であった。
【００２１】
本発明が解決する主要な問題は、工業ボイラーから排出される廃熱ガスの高温特性を利用し、熱電チップが温度差により発生させる電流と組み合わせて使用し、高温廃熱ガスの高温を回収してエネルギーを生成するために応用することによりエネルギーの回収再生効果を達成させることである。
【００２２】
上記課題を解決するための本発明の廃熱回収発電用熱電モジュール１は、ボイラー２に適用され、前記ボイラー２は排出される高温廃熱ガスＡの排煙路３に連通される。前記排煙路３は管径Ｄを有すると共に管壁には熱電モジュール取付口３１が設置される。前記熱電モジュール１は前記熱電モジュール取付口に装設される（図１参照）。
【００２３】
図１の実施形態では、前記ボイラー２の前記排煙路３から離間する一側に設置され、前記ボイラー２の燃焼により発生した高温廃熱ガスＡを前記排煙路３中に吹き入れて排出させるために用いられる送風機４を更に備える。
【００２４】
図２Ａ乃至図２Ｆに示されるように、本発明に係る熱電モジュール１構造は、取付板１１１及びモジュールフレーム１１２を有し、前記取付板１１１には収容口１１３が開設され、前記モジュールフレーム１１２の深さｄは前記排煙路３の前記管径Ｄに収容可能である取付部１１と（図１参照）と、第一熱電変換部１２とを備える。
前記第一熱電変換部１２は並行に配列される複数のヒートパイプ１２１で構成されるヒートパイプ部を含み、これら前記ヒートパイプ１２１は蒸発端１２１１及び凝縮端１２１２を有し、これら前記ヒートパイプ１２１の凝縮端１２１２（図２Ｃ参照）は共に高温側アルミニウム板１２２内部にキャストされると共に前記高温側アルミニウム板１２２に緊密に接触させる。前記高温側アルミニウム板１２２の上面１２２Ａ及び底面１２２Ｂは低温側アルミニウム板１４をそれぞれ被覆させ、前記第一熱電変換部１２（図２Ａ参照）は前記蒸発端１２１１が前記取付板１１１の前記収容口１１３内に貫入させる。
図１に示されるように、蒸発端１２１１は前記排煙路３内の高温廃熱ガスＡに接触させる。前記高温側アルミニウム板１２２と前記低温側アルミニウム板１４との間はこれら前記ヒートパイプ１２１の凝縮端１２１２に対応する位置（図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｄ参照）に複数の熱電チップ１３が設置され、これら前記熱電チップ１３は前記高温側アルミニウム板１２２に貼り合わせられる高温端と前記低温側アルミニウム板１４に貼り合わせられる低温端との間の温度差を利用して電流を発生させる。
【００２５】
図２Ａの実施形態では、前記熱電モジュール１は、これら前記熱電チップ１３に電気的に接続されると共にこれら前記熱電チップ１３が発生させる電流が蓄電される蓄電部１５を更に備える。
【００２６】
また、図２Ａの実施形態では、前記熱電モジュール取付口３１及び前記取付板１１１には対応し合う螺合構造が設置される。例えば、取付板１１１に設置される第１螺合穴部Ｓ１及び熱電モジュール取付口３１の周囲に設置される第２螺合穴部Ｓ２である。
【００２７】
また、図２Ａの実施形態では、前記熱電モジュール１は第二熱電変換部１２Ａを更に備え、前記第二熱電変換部１２Ａの構造は第一熱電変換部１２と同じである。前記第二熱電変換部１２Ａのこれら前記ヒートパイプ１２１Ａは前記第一熱電変換部のこれら前記ヒートパイプの位置に対応するように設置される。
【００２８】
また、図２Ａの実施形態では、前記第一熱電変換部１２は仕切板１６を更に備え、前記仕切板１６にはこれら前記ヒートパイプが貫設され、且つ前記取付板１１１の収容口１３に平行すると共に相互に当接される。
【００２９】
なお、図２Ｃの実施形態では、前記第一熱電変換部１２のこれら前記ヒートパイプ１２１及び水平面はチルト角αを有する。前記凝縮端１２１２は前記蒸発端１２１１より高い。
【００３０】
本発明の実施形態では、これら前記低温側アルミニウム板１４は前記排煙路３の外部に保留され、且つ空冷（ａｉｒ  ｃｏｏｌｉｎｇ）等の放熱手段を有する。
他の実施形態では、これら前記低温側アルミニウム板１４は能動的放熱手段を更に備え、例えば、内部に水冷管路１４１が埋設され、図２Ｂ及び図２Ｄに示されるように、水冷管路１４１内の液体がポンプにより循環される。前記水冷管路１４１は管材が前記低温側アルミニウム板１４中にキャストされる。
【００３１】
本発明のある実施形態では、図２Ｅ或いは図２Ｆに示されるように、前記低温側アルミニウム板１４内部の水冷管路１４１は４入４出の水入／出口（例えば、水入口１４２Ａ及び水出口１４２Ｂ）を有し、これら前記水入口１４２Ａ及び水出口１４２Ｂの口径Ｄ１は前記水冷管路１４１の管径Ｄ２より大きい。
【００３２】
異なる実施形態では、水冷管路１４１は需要に応じて異なる管路の設計を提供する。図２Ｄ乃至図２Ｆに示されるように、実施形態において、水入口１４２Ａ及び水出口１４２Ｂの口径Ｄ１は前記水冷管路１４１の管径Ｄ２の２倍である。
【００３３】
図２Ｃは本発明のヒートパイプ１２１の作用を示す概略図である。ヒートパイプ１２１の蒸発端１２１１及び凝縮端１２１２は共に封鎖されており、且つヒートパイプ１２１内部は真空状態となる。ヒートパイプ１２１内部には熱媒体（例えば、純水）が装設され、熱媒体はヒートパイプ１２１内で相転移循環される。
本発明に係るヒートパイプ１２１及び水平面は図２Ｂに示されるようにチルト角αを有し、且つ前記凝縮端１２１２は前記蒸発端１２１１より高く、地球の引力の作用により前記ヒートパイプ１２１内部の熱媒体が凝縮端１２１２から蒸発端１２１１に向けて流動する。液状熱媒体Ｍが凝縮端１２１２から蒸発端１２１１に向けて流動する場合、蒸発端１２１１は図１に示されるように排煙路３内の高温廃熱ガスＡに直接接触させ、液状熱媒体Ｍがガス状態熱媒体Ｍ’に相転移され、且つ流体は高圧から低圧に向けて流れるという物理特性により、ガス状態熱媒体Ｍ’が蒸発端１２１１から凝縮端１２１２に向けて流動する。
ガス状態熱媒体Ｍ’は放熱後に凝縮された後に液状熱媒体Ｍに再度相転移され、ヒートパイプ１２１内の相転移循環が形成され、且つこの循環によりヒートパイプ１２１の蒸発端１２１１の熱エネルギーが凝縮端１２１２に伝達される効果を達成させる。
【００３４】
図３Ａは本発明の他の実施形態の熱電モジュール１Ａの正面から見た概略図であり、図３Ｂは本発明のさらなる他の実施形態の熱電モジュール１Ａの上面から見た概略図である。
【００３５】
ある実施形態では、前記熱電モジュール１Ａは第二熱電変換部１２Ａを更に備え、前記第二熱電変換部１２Ａの構造は第一熱電変換部１２と同じである。
前記第二熱電変換部１２Ａのこれら前記ヒートパイプ１２１Ａは交錯して前記第一熱電変換部１２のこれら前記ヒートパイプ１２１の隙間の位置に対応するように設置される。第一熱電変換部１２及び第二熱電変換部１２Ａは図２Ａに示されるように、蒸発端１２１１が取付部１１の収容口１１３中に貫入され、且つ取付部１１の第１螺合穴部Ｓ１が排煙路３の第２螺合穴部Ｓ２に螺合される。
【００３６】
これら前記熱電変換部は排煙路３中に貫入される蒸発端１２１１が高温廃熱ガスに直接接触させ、第一熱電変換部１２及び第二熱電変換部１２Ａのこれら前記ヒートパイプが交錯して対応するように設置されて配列されるという特徴により、これら前記ヒートパイプ１２１、１２１Ａと高温廃熱ガスとの接触面積が増加し、より好ましい廃熱回収発電効果を達成させる。
【００３７】
全体の７５％を占める回収されずに利用されていなかった２５０℃以下の余熱が新生エネルギー（電流）として有効的に変換され、出力されて蓄電や使用が可能になる。
【００３８】
総合すると、本発明が公開する廃熱回収発電用熱電モジュールは以下の効果を有する。
１．工業ボイラーから排出される廃熱ガスの高温が有効利用され、熱電材料の特性と組み合わせられ、高温廃熱ガスの高温と室温または冷却温度との温度差により電流を発生させる。すなわち、廃熱が回収されて新たなエネルギーを再度発生させ、運用される。
２．着脱式カートリッジ形態を呈する装置のモジュール構造により装設及び交換が非常に便利である。
【００３９】
上述の実施形態は本発明の技術思想及び特徴を説明するためのものにすぎず、当該技術分野を熟知する者に本発明の内容を理解させると共にこれをもって実施させることを目的とし、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。従って、本発明の精神を逸脱せずに行う各種の同様の効果をもつ改良又は変更は、後述の請求項に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００４０】
１  熱電モジュール
１Ａ  熱電モジュール
１１  取付部
１１１  取付板
１１２  モジュールフレーム
１１３  収容口
１２  第一熱電変換部
１２Ａ  第二熱電変換部
１２１  ヒートパイプ
１２１Ａ  ヒートパイプ
１２１１  蒸発端
１２１２  凝縮端
１２２  高温側アルミニウム板
１２２Ａ  上面
１２２Ｂ  底面
１３  熱電チップ
１４  低温側アルミニウム板
１４１  水冷管路
１４２Ａ  水入口
１４２Ｂ  水出口
１５  蓄電部
１６  仕切板
２  ボイラー
３  排煙路
３１  熱電モジュール取付口
４  送風機
Ａ  高温廃熱ガス
Ｄ  管径
Ｄ１  口径
Ｄ２  管径
ｄ  深さ
Ｍ  液状熱媒体
Ｍ’  ガス状態熱媒体
Ｓ１  第１螺合穴部
Ｓ２  第２螺合穴部
α  チルト角
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
2019103379.tif 000009
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2019103379.tif 000011