(57)【要約】【課題】安定的且つ高効率の電力供給が可能な燃焼器用発電装置を提供する。【解決手段】液体貯留タンク１７１は、吐出部１７１ｃ及び流入部１７１の間に流体循環経路１７３〜１７５が設けられる。液体貯留タンク１７１は、貯留水の温度が沸点に達すると、その一部が気化しタンク内の圧力を上昇させ、タンク内の蒸気の一部が吐出部１７１ｃから放出される。その後、流体循環経路に吐出された蒸気は、タンク外の周辺から吸熱されることで、液体状態へと戻される。混相流体循環器１７０は、蒸気の熱量が流体循環経路の間で吸熱されるので、液体貯留タンク１７１と流体循環経路との間に温度差が形成される。そして、本実施の形態に係るストーブ１００は、液体貯留タンク１７１と流体循環経路との間に熱電ユニット１７６を配備させ、この温度差によって電力の発電を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナーよりも高位で発熱する発熱部と、前記発熱部が配置された高温室と、仕切構造を介して前記高温室に隣接する隣接室と、前記発熱部から受けた熱エネルギーを前記高温室から前記隣接室へ伝達する熱伝達部と、前記熱伝達部との固定箇所を有した液体貯留タンク及び当該液体貯留タンクに接続された流体循環経路を備え当該流体循環経路を介して気液混相流体を循環させる混相流体循環器と、受熱面に前記液体貯留タンクを配置させ放熱面に前記循環経路の一部を配置させた熱電ユニットと、を備えることを特徴とする燃焼器用発電装置。
【請求項２】
前記混相流体循環器は、前記液体貯留タンクから吐出された蒸気を中継する蒸気中継管と、前記蒸気中継管に接続され前記蒸気を液相状態に変化させる凝縮器と、前記凝縮器から吐出された液化流体を前記液体貯留タンクへ戻す戻し配管と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器用発電装置。
【請求項３】
前記凝縮器の外表面には、前記蒸気よりも低温の冷却流体が与えられることを特徴とする請求項２に記載の燃焼器用発電装置。
【請求項４】
前記戻し配管の途中又は端部には、前記液体貯留タンクに貯留された気液混相流体の液面が高位の所定水位に達したとき閉成する逆止弁を配備させていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃焼器用発電装置。
【請求項５】
前記熱電ユニットは、前記高温室と前記隣接室とを鉛直方向に仕切る仕切構造よりも下位の領域に配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の燃焼器用発電装置。
【請求項６】
前記熱電ユニットは、前記バーナーの上端箇所よりも下位に配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の燃焼器用発電装置。
【請求項７】
前記液体貯留タンクは、前記隣接室のうち前記下位の領域から前記隣接室のうち前記下位の領域よりも高位の領域へ亘って配置され、
前記熱電ユニットは、前記液体貯留タンクのうち前記下位領域へ配される部位に接触していることを特徴とする請求項６に記載の燃焼器用発電装置。
【請求項８】
前記液体貯留タンクは、前記熱伝達部との固定箇所が前記上位領域へ設けられていることを特徴とする請求項７に記載の燃焼器用発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼器用発電装置に関し、特に、熱電素子を用いて発電を行う技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特開昭６２−２０４１６４号公報（特許文献１）では、ストーブといった燃焼機器に熱電素子を配備させ、燃焼部の高い熱源を利用して発電する技術が紹介されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６４−２０４１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の技術では、熱源となる燃焼部の動作如何によって発電量が著しく変化し、発電電力の安定的な供給を行うことが困難とされていた。また、同文献１の技術では、熱電ユニットを燃焼器内部へ配置させる性質上、燃焼部の熱エネルギーを伝達させる構造によっては熱電ユニットの全体が高温状態とされてしまう。このため、当該熱電ユニットでは、受熱面と放熱面との間に適宜の温度差が与えられず、発電効率を低下させるとの問題が生じる。
【０００５】
図３は、特許文献１の技術を適用した燃焼機器について、熱電ユニットの受熱面温度Ｔａと放熱面温度Ｔｂとの測定結果が示されている。また、同図には、受熱面温度Ｔａと放熱面温度Ｔｂとの温度差ΔＴ（ΔＴ＝Ｔａ−Ｔｂ）も示されている。
【０００６】
図示の如く、受熱面温度Ｔａ及び放熱面温度Ｔｂは、ストーブの運転開始（ｔ＝０ｓｅｃ）から順調に上昇している様子が認められる。しかしながら、時刻ｔ＝５００（ｓｅｃ）近傍では、受熱面温度Ｔａと放熱面温度Ｔｂとの温度差ΔＴが飽和状態とされるのが解る。このような傾向は、装置の異同に関わらず認められる現象であって、運転開始から所定時刻を過ぎると、当該温度差ΔＴを拡大させることができなくなる（期間Δｔｓを参照）。
【０００７】
このように、一般的に利用される燃焼機器は、燃焼部から受ける熱量が高くなったからといって、熱電ユニットでの発電効率が改善されるとは限らない。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑み、安定的且つ高効率の電力供給が可能な燃焼器用発電装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明では次のような燃焼器用発電装置の構成とする。即ち、バーナーよりも高位で発熱する発熱部と、前記発熱部が配置された高温室と、仕切構造を介して前記高温室に隣接する隣接室と、前記発熱部から受けた熱エネルギーを前記高温室から前記隣接室へ伝達する熱伝達部と、前記熱伝達部との固定箇所を有した液体貯留タンク及び当該液体貯留タンクに接続された流体循環経路を備え当該流体循環経路を介して気液混相流体を循環させる混相流体循環器と、受熱面に前記液体貯留タンクを配置させ放熱面に前記循環経路の一部を配置させた熱電ユニットと、を備えることとする。
【００１０】
好ましくは、前記混相流体循環器は、前記液体貯留タンクから吐出された蒸気を中継する蒸気中継管と、前記蒸気中継管に接続され前記蒸気を液相状態に変化させる凝縮器と、前記凝縮器から吐出された液化流体を前記液体貯留タンクへ戻す戻し配管と、を備えることとする。
【００１１】
好ましくは、前記凝縮器の外表面には、前記蒸気よりも低温の冷却流体が与えられることとする。
【００１２】
好ましくは、前記戻し配管の途中又は端部には、前記液体貯留タンクに貯留された気液混相流体の液面が高位の所定水位に達したとき閉成する逆止弁を配備させていることとする。
【００１３】
好ましくは、前記熱電ユニットは、前記高温室と前記隣接室とを鉛直方向に仕切る仕切構造よりも下位の領域に配置されることとする。
【００１４】
好ましくは、前記熱電ユニットは、前記バーナーの上端箇所よりも下位に配置されることとする。
【００１５】
好ましくは、前記液体貯留タンクは、前記隣接室のうち前記下位の領域から前記隣接室のうち前記下位の領域よりも高位の領域へ亘って配置され、前記熱電ユニットは、前記液体貯留タンクのうち前記下位領域へ配される部位に接触していることとする。
【００１６】
好ましくは、前記液体貯留タンクは、前記熱伝達部との固定箇所が前記上位領域へ設けられていることとする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る燃焼器用発電装置によると、混相流体循環器によって、高い熱容量の確保と必要十分な温度差の形成が行われる。これにより、熱電ユニットでは、発電電力を安定的に発生させることが可能となる。
【００１８】
また、本発明に係る燃焼器用発電装置によると、気液混相流体の温度変化内で熱電ユニットの発電量が確保されるので、燃焼機器を常に高出力で燃焼させずとも、高い効率で電力を発電させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態に係る燃焼器の構成を示す図。
【図２】実施の形態に係る燃焼器用発電装置の構成を示す図。
【図３】熱電素子の受熱面温度と放熱面温度の時間的変化を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る実施の形態等につき図面を参照して具体的に説明する。図１は、本実施の形態に係るストーブ（燃焼器の一形態）の各断面構造が示されている。図示の如く、ストーブ１００は、筐体１１０の内部に、装置構成の各部を適宜収容させている。また、当該筐体１１０の内部では、仕切構造１１１，１１２，１１３が設けられ、高温室Ｒ１と、仕切構造１１１〜１１３を介して隣接する隣接室Ｒ２，Ｒ３とが形成される。
【００２１】
仕切構造１１１，１１３は、ストーブ１００が配置されたときの上下方向に略平行となるものであるところ、以下、鉛直壁１１１，１１３と呼び換えることとする。また、仕切構造１１２は、ストーブ１００が配置されたときの水平方向に略平行となるものであるところ、以下、水平壁１１２と呼ぶこととする。
【００２２】
鉛直壁１１１，１１３及び水平壁１１２は、筐体１１０の内壁を伴って、高温室Ｒ１と隣接室Ｒ２，Ｒ３とを画成させている。このうち、高温室Ｒ１は、正面側に開口部が設けられ、その開口部に金網等の保護構造（図示なし）が設けられている。また、隣接室については、水平壁１１２よりも下位（下方側）の領域を隣接室下位領域Ｒ２と呼ぶこととし、水平壁１１２よりも上位（上方側）の領域を隣接室上位領域Ｒ３と呼ぶこととする。
【００２３】
高温室Ｒ１には、高熱部１３０の主体が固定さている。当該高熱部１３０は、鉄線蓋１３１及び筒状体１３２等から成り、その筒状体１３２の下端部が水平壁１１２の貫通穴へ挿通固定されている。ここで、高熱部１３０（鉄線蓋１３１及び筒状体１３２）は、バーナー１３４に点火された火炎によって高位の部位が発熱し、赤色に変化することで赤外線を放射する。このように、高熱部１３０とは、その構造全てを指すものでなく顕著に発熱する部位を指し、この意味において、高温室Ｒ１に収容される部位・又は其の一部がこれに相当する。
【００２４】
また、高温室Ｒ１の背面には、反射境が設けられ前方開口方向への輻射熱を与えている。また、高熱部１３０の鉛直方向上部には、鉄線蓋１３１と近接する位置に熱伝達部１７２が配置されている。本実施の形態に係る熱伝達部１７２は、好熱伝導性の材質から成るものであって、発熱部１３０の幅と略同等の板状体が利用される。そして、一端が高温室Ｒ１に配置され且つ他端が隣接室上位領域Ｒ３に配置される。この熱伝達部１７２は、発熱部１３０から高い熱エネルギーを受け、これを高温室Ｒ１から隣接室上位領域Ｒ３へ効率よく伝達させる。
【００２５】
隣接室下位領域Ｒ２には、高熱部１３０の直下へバーナー１３４が配置されている。バーナー１３４の上端には、バーナーヘッド１３３が設けられ、バーナーヘッド１３３の上端面近傍に火炎が形成される。このバーナーヘッド１３３は、水平壁１１２の高さに程近く配置されるので、これの上位と下位とでの温度を異なるものとさせる。このため、運転中のストーブ１００では、隣接室下位領域Ｒ２よりも高温室Ｒ１の温度が格段に高くなる。
【００２６】
この他、隣接室下位領域Ｒ２には、ブロワ―１４０、油貯部１６０等が設けられる。貯油タンク１５０に貯められた石油燃料は、油貯部１６０を経由して燃料配管１６１へ送られる。そして、ここを通過した石油燃料は、ノズル（図示なし）を通過する際に霧浄化される。このとき、バーナー１３４の内部では、送風管１４１から送られた空気とノズルから噴射された石油燃料によって適宜濃度の混合気が生成され、これがバーナーヘッド１３３で燃焼されることとなる。
【００２７】
一方、隣接室Ｒ２〜Ｒ３の背面側（開口部の反対側）には、混相流体循環器１７０が配置・収容されている。図示の如く、混相流体循環器１７０は、先に説明した熱伝達部１７２と，液体貯留タンク１７１、これに接続された流体循環経路１７３〜１７５、及び、熱電ユニット１７６から構成される。
【００２８】
このうち、液体貯留タンク１７１は、鉄又はステンレス等の材質によって空洞体１７１ａが形成され、溶接等によって、熱伝達部１７２との固定箇所が空洞体１７１ａの外側面に与えられる。液体貯留タンク１７１の内部は、図２（ａ）に示す如く空洞部１７１ｂが存在し、空洞部１７１ｂの一部に水等の流体が貯留されている。また、液体貯留タンク１７１は、上部に吐出部１７１ｃが形成され、下部に流入部１７１ｄが形成されている。この吐出部１７１ｃ及び流入部１７１ｄは、管状の構造材料が溶接され、空洞部１７１ｂとの連通路を形成させている。
【００２９】
また、液体貯留タンク１７１は、吐出部１７１ｃ及び流入部１７１の間に流体循環経路１７３〜１７５が設けられ、当該タンク１７１の外部に流体を循環させる経路が形成される。液体貯留タンク１７１は、ストーブ１００の燃焼運転が開始すると、熱伝達部１７２から熱エネルギーを受けて、貯留水の温度を上昇させていく。そして、貯留水は、其の温度が沸点（水の場合、１気圧下において１００℃）に達すると、その一部が気化しタンク内の圧力を上昇させ、タンク内の蒸気の一部が吐出部１７１ｃから放出される。
【００３０】
その後、流体循環経路に吐出された蒸気は、タンク外の周辺から吸熱されることで、液体状態へと戻される。こうして液化された水流体は、流体循環経路を介してタンク１７１の内部へ再び戻される。このように、流体循環経路を循環する流体は、気相及び液相の両間の相変化を繰返すものであるところ、以後、タンク内で用いられる循環流体を気液混相流体と呼ぶこととする。
【００３１】
混相流体循環器１７０は、蒸気の熱量が流体循環経路の間で吸熱されるので、液体貯留タンク１７１と流体循環経路との間に温度差が形成される。そして、本実施の形態に係るストーブ１００（燃焼機器用発電装置）は、液体貯留タンク１７１と流体循環経路との間に熱電ユニット１７６を配備させ、この温度差によって電力の発電を行っている。
【００３２】
この熱電ユニット１７６は、図２（ｂ）〜図２（ｃ）に示す如く、Ｐ型半導体１７６ａとＮ型半導体１７６ｂとを導電体１７６ｅによって直列接続したものであり、ゼーベック効果を利用して其の温度差を電気エネルギーへ変換させるユニットである。尚、本実施の形態では、出力端１７６ｆと負荷２００とが電気的に接続され、当該負荷２００を発電電力によって駆動させている。
【００３３】
当該熱電ユニット１７６は、電流Ｉｇの発生方向に「Ｐ→Ｎ」となる接続部位が揃えられ、其の部位に電気的絶縁材１７６ｃが積層される。また、電流Ｉｇの発生方向に「Ｎ→Ｐ」となる接続部位が揃えられ、其の部位に電気的絶縁材１７６ｄが積層される。このうち、電気的絶縁材１７６ｃが外部と対面（又は、接触）する面を受熱面と呼び、電気的絶縁材１７６ｄが外部と対面（又は、接触）する面を放熱面と呼ぶ。
【００３４】
かかる構成とされた熱電ユニット１７６は、受熱面から放熱面へ向かって熱量が移動するとき、ゼーベック効果によって発電電流Ｉｇを出力端１７６ｆから出力させる。本実施の形態では、かかる発電作用の恩恵を得るよう、受熱面側に液体貯留タンク１７１を配置させ、放熱面側に流体循環経路を配置させている。
【００３５】
液化貯留タンク１７１は、其の大きさの設定に応じて気液混相流体の容積を調整できるので、当該タンク１７１及び気液混相流体から成る熱容量の確保調整を容易に行い得る。また、当該タンク１７１では、流体循環経路へ吐出された蒸気の殆どを液化させる程度にまで冷却させるので、熱電ユニット１７６で発電作用を生じさせるに足る必要十分な温度差を形成させることができる。
【００３６】
本実施の形態に内在する技術的思想は、受熱面温度を必要以上に上昇させなくても良いという技術的事情に依拠したものであって、その代りに、発電作用を生じさせるに足る必要十分な温度差を安定的に供給させることに顕著な特徴が認められる。より具体的には、気液混相流体が水の場合、熱電ユニットの両面について１００ｄｅｇ程度（例えば、タンク表面温度〔１２０℃〕−配管温度〔２０℃〕）の温度差で所望の発電電力を抽出し、併せて、混相流体循環器１７０の構成物によって熱容量を飛躍的に増加させている。
【００３７】
このように、本実施の形態に係るストーブ１００（燃焼器用発電装置）によると、混相流体循環器によって、高い熱容量の確保と必要十分な温度差の形成が行われる。これにより、熱電ユニット１７６では、所望の熱量が半導体素子を継続的に移動することになり、ゼーベック効果に伴う発電電力を安定的に発生させることが可能となる。
【００３８】
また、当該ストーブ１００（燃焼器用発電装置）によると、気液混相流体の温度変化内で熱電ユニット１７６の発電量が確保されるので、燃焼機器を常に高出力で燃焼させずとも、高い効率で電力を発電させることが可能になる。
【００３９】
特に、本実施の形態に係る流体循環経路は、図２（ａ）に示す如く、吐出蒸気を中継させる蒸気中継管１７３と、当該蒸気中継管１７３に接続された凝縮器１７４と、当該凝縮器１７４から吐出された流体を液体貯留タンク１７１へ戻す配管１７５（戻し配管）と、から構成されている。
【００４０】
このうち、凝縮器１７４は、配管を蛇行させて表面積を十分に大きくさせたものである。また、その配管に熱交換用フィン等を設けたものであっても良い。これによれば、凝縮器１７４を通過する蒸気は、熱交換作用によって液相状態へと効果的に変化することとなる。
【００４１】
特に、本実施の形態では、凝縮器１７４に送風ファン１７４ａが設けられ、蒸気温度よりも低温の冷却流体が与えられる。このため、凝縮器１７４へ投入された蒸気は、積極的な吸熱作用を受けて、液化後の気液混相流体を効果的に低下させることが可能となる。この場合、送風ファン１７４ａは、外気等の低温雰囲気から冷却流体を取り込むようにすると良い。
【００４２】
更に、本実施の形態に係る戻し配管１７５は、熱電ユニット１７６の放熱面に対面する。これによれば、戻し配管１７５には液化された気液混相流体が流れているので、当該戻し配管１７５は、流体循環経路の中で比較的に低い温度状態とされる。従って、本実施の形態に係る熱電ユニット１７６は、放熱面の温度が低温に保たれるので、当該ユニットでの温度差が十分に確保され発電電力を好適に維持できる。
【００４３】
尚、戻し配管１７５は、其の配管の途中又は端部に逆止弁１７７が設けられている。この逆止弁１７４は、液体貯留タンク１７１に貯留された気液混相流体の液面が高位の所定水位Ｈ．Ｗ．Ｌに達すると、自身の弁体を閉成させ流体循環経路を途中で遮り、タンク１７１へ戻る気液混相流体（液相）の流れを断つ。また、この水位Ｈ．Ｗ．Ｌより液面が低下すると、其の弁を開状態へ復帰させる。
【００４４】
これによれば、気化されていない流体は、逆止弁によって逆流及び溢流が適宜に抑制されるので、気化されるまではタンク内にて潤沢な熱容量を形成し、気化されるまで熱エネルギーを吸収し続けタンク１７１の表面を沸点近傍に維持させることができる。このため、液体貯留タンク１７１は、気相状態の温度帯という範囲において、熱電ユニット１７６へ十分な高温を安定的に提供できる。
【００４５】
尚、本実施の形態では、隣接室として隣接室下位領域Ｒ２と隣接室上位領域Ｒ３とが設けられる。このうち、隣接室上位領域Ｒ３は、水平壁１１２よりも上位に位置し、高温室Ｒ１にも隣接する領域を指す。この隣接室上位領域Ｒ３は、隣接室下位領域Ｒ２よりも高位の領域に位置するところ、当該領域Ｒ２よりも高い温度分布が認められる領域である。
【００４６】
そして、本実施の形態によれば、熱電ユニット１７６は、水平壁１１２（高温室Ｒ１と隣接室Ｒ２とを鉛直方向に仕切る構造）よりも下位の領域に配置させることで、熱電ユニット１７６の放熱側の温度上昇を抑え、結果として、当該ユニット１７６の両面間の温度差を確保させている。
【００４７】
特に、この熱電ユニット１７６は、バーナーヘッド１３３の上端箇所よりも下位に配置されるのが好ましい。火炎は、当該火炎の根本（バーナーヘッドの上端）よりも上位方向の方が高温となる。従って、この熱の発生上の基準レベルよりも熱電ユニット１７６を低下させることは、バーナーヘッド１３３の火炎から受ける熱量を幾分でも低下させることができるからである。
【００４８】
また、液体貯留タンク１７１は、隣接室上位領域Ｒ３から隣接室下位領域Ｒ２へ亘って配置される。そして、熱電ユニット１７６は、液体貯留タンク１７１のうち下位領域へ配される部位に接触している。これによれば、液体貯留タンク１７１は熱容量が十分に確保されているので、接触部位が隣接室下位領域Ｒ２に配置されていても、熱電ユニット１７６の受熱面温度を高温に保つ熱量が供給できる。
【００４９】
また、液体貯留タンク１７１と熱伝達部１７２との固定箇所は、隣接室上位領域Ｒ３へ配置されているのが好ましい。このようにすることで、熱伝達部１７２を伝わる熱量は、高温室Ｒ１からタンク１７１へ至る熱伝達経路での熱量低下を回避させ、其の熱エネルギーがタンク内へ効果的に供給されることとなる。
【００５０】
以上、上述した実施の形態では、燃焼器用発電装置の具体例としてストーブを挙げて説明した。しかし、特許請求の範囲に係る燃焼器用発電装置は、これに限定されるものでなく、給湯器，焼却炉，といった燃焼部を具備する装置について適用可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１００  燃焼器，    １１１〜１１２  仕切り構造，    １３０  発熱部（高温室の部位），    １３３  バーナー，    １７０  混相流体循環部，    １７１  液体貯留タンク，    １７２  熱伝達部，    １７３  蒸気中継管（流体循環経路），    １７４  凝縮器（流体循環経路），    １７５  戻し配管（流体循環経路），    １７６  熱電ユニット，    Ｒ１  高温室，    Ｒ２  隣接室（低位領域），    Ｒ３  隣接室（高位領域）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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