(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱還流装置であって、
ｐ型熱電素子、ｎ型熱電素子、放熱側電極および吸熱側電極を有し、前記放熱側電極と前記吸熱側電極との間に電流を流すことにより、前記吸熱側電極にて吸収された熱を前記吸熱側電極よりも高温の前記放熱側電極へと移動して加熱対象物に付与するペルチェ素子と、
前記ｐ型熱電素子および前記ｎ型熱電素子から発生するジュール熱を、前記加熱対象物を介して回収する熱利用部と、
を備えることを特徴とする熱還流装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱還流装置であって、
前記加熱対象物が流体であり、
前記熱利用部が、前記流体が流れる流路であり、
前記ｐ型熱電素子および前記ｎ型熱電素子が、前記流路の内部に配置され、前記ｐ型熱電素子および前記ｎ型熱電素子からのジュール熱が前記流路を流れる前記流体に付与されることを特徴とする熱還流装置。
【請求項３】
請求項２に記載の熱還流装置であって、
前記放熱側電極も、前記流体を加熱する熱源として前記流体中に配置されることを特徴とする熱還流装置。
【請求項４】
請求項１に記載の熱還流装置であって、
前記熱利用部が、
循環流体中に配置された前記ｐ型熱電素子および前記ｎ型熱電素子からのジュール熱を熱源として前記循環流体を加熱する循環流体加熱部と、
前記循環流体加熱部にて加熱された前記循環流体により前記加熱対象物を加熱する対象物加熱部と、
前記対象物加熱部を通過した前記循環流体を前記循環流体加熱部へと循環させる循環流路と、
を備えることを特徴とする熱還流装置。
【請求項５】
請求項４に記載の熱還流装置であって、
前記放熱側電極も前記循環流体を加熱する熱源として前記循環流体中に配置され、
前記放熱側電極から放出される熱が、前記循環流体を介して前記加熱対象物に付与されることを特徴とする熱還流装置。
【請求項６】
請求項２ないし５のいずれかに記載の熱還流装置であって、
前記ｐ型熱電素子および前記ｎ型熱電素子のそれぞれの表面が絶縁層により覆われることを特徴とする熱還流装置。
【請求項７】
ｐ型熱電素子、ｎ型熱電素子、放熱側電極および吸熱側電極を有し、前記放熱側電極と前記吸熱側電極との間に電流を流すことにより、前記吸熱側電極にて吸収された熱を前記吸熱側電極よりも高温の前記放熱側電極へと移動するペルチェ素子を利用する加熱方法であって、
ａ）前記ペルチェ素子の前記放熱側電極から加熱対象物に熱を付与する工程と、
ｂ）前記ｐ型熱電素子および前記ｎ型熱電素子から発生するジュール熱を、前記加熱対象物を介して回収する工程と、
を備えることを特徴とする加熱方法。
【請求項８】
熱回収装置であって、
回収対象物の熱を熱源として加熱対象物を加熱する熱交換器と、
前記熱交換器からの加熱対象物を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、
前記膨張機にて膨張させた加熱対象物を冷却するとともに前記熱交換器に供給される加熱対象物を予備加熱する熱還流装置と、
前記熱還流装置にて冷却された加熱対象物を前記熱交換器へと送出するポンプと、
を備え、
前記熱還流装置が、
ｐ型熱電素子、ｎ型熱電素子、前記膨張機と前記ポンプとの間に配置される吸熱側電極、および、前記ポンプと前記熱交換器との間に配置される放熱側電極を有するペルチェ素子と、
前記ｐ型熱電素子および前記ｎ型熱電素子から発生するジュール熱を、前記加熱対象物を介して回収する熱利用部と、
を備えることを特徴とする熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱還流装置、加熱方法および熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ランキンサイクルを利用して原動機等の廃熱からエネルギーを回収する熱回収装置が知られている。このような熱回収装置では、原動機等の廃熱を作動流体に付与することにより作動流体を気化し、作動流体の蒸気によりタービンを駆動して発電を行うことにより、当該廃熱の一部が回収される。タービンで回収しきれない熱エネルギーは、作動流体の蒸気を凝縮する凝縮器において、海水や大気へと放出される。
【０００３】
特許文献１の廃熱回収装置では、ゼーベック効果を利用した熱電変換素子をエンジンや過熱器等に装着し、熱電変換素子により熱エネルギーから変換された電気エネルギーを蓄電装置に蓄電する技術が提案されている。
【０００４】
特許文献２では、ランキンサイクル廃熱回収装置を含む内燃機関に接続される熱電デバイスについて提案されている。当該熱電デバイスでは、ランキンサイクル廃熱回収装置のエキスパンダを通過した作動流体から熱エネルギーの一部が抜き出され、電気エネルギーに変換されて電池等に蓄電される。また、作動流体が凍結している場合、熱電デバイスに電圧を印加することにより熱を発生させ、作動流体を加熱することができる。
【０００５】
一方、特許文献３の蒸気タービン発電プラントでは、タービンからの高温の排気が流れるタービン排気通路と、冷却水が流れる冷却水通路との間に、プレート型熱交換器が配置される。プレート型熱交換器の内部には、ｎ型半導体素子およびｐ型半導体素子が交互に配列される。そして、プレート型熱交換器を介してタービン配置通路から冷却水通路へと流れる熱の一部が、ｎ型半導体素子およびｐ型半導体素子により電気に変換される。電気に変換されなかった残りの熱は冷却水に捨てられる。
【０００６】
特許文献４では、ｎ型半導体素子およびｐ型半導体素子を備えるペルチェ素子が、集積回路用の冷却ユニットに利用されている。ペルチェ素子では、通電によりｎ型半導体素子およびｐ型半導体素子にジュール熱が発生する。当該ジュール熱により、ｎ型半導体素子およびｐ型半導体素子を介した電極間の熱の移動が阻害される。当該冷却ユニットでは、ファンによりペルチェ素子の冷却が行われる。
【０００７】
また、特許文献５の熱電ヒートポンプでは、ペルチェ素子のｎ型半導体素子およびｐ型半導体素子にて発生するジュール熱が低温側電極へと流入することを抑制するために、ｎ型半導体素子およびｐ型半導体素子の中央部に中間熱だまり層が設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１３３２１０号公報
【特許文献２】特表２０１４−５０４３４５号公報
【特許文献３】特開平２−２３８１０４号公報
【特許文献４】特表２００２−５４０６３２号公報
【特許文献５】特開２００５−２４９３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、特許文献４の冷却ユニットでは、ペルチェ素子にて発生したジュール熱は送風により部分的に除去され、大気中に放出されるだけであり、利用されてはいない。また、特許文献５の熱電ヒートポンプでは、低温側電極と中間熱だまり層との間においてｎ型半導体素子およびｐ型半導体素子から発生したジュール熱は低温側電極へと流入するため、ペルチェ素子の効率向上に限界がある。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ペルチェ素子のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子にて発生するジュール熱を効率良く利用することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、熱還流装置であって、ｐ型熱電素子、ｎ型熱電素子、放熱側電極および吸熱側電極を有し、前記放熱側電極と前記吸熱側電極との間に電流を流すことにより、前記吸熱側電極にて吸収された熱を前記吸熱側電極よりも高温の前記放熱側電極へと移動して加熱対象物に付与するペルチェ素子と、前記ｐ型熱電素子および前記ｎ型熱電素子から発生するジュール熱を、前記加熱対象物を介して回収する熱利用部とを備える。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱還流装置であって、前記加熱対象物が流体であり、前記熱利用部が、前記流体が流れる流路であり、前記ｐ型熱電素子および前記ｎ型熱電素子が、前記流路の内部に配置され、前記ｐ型熱電素子および前記ｎ型熱電素子からのジュール熱が前記流路を流れる前記流体に付与される。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の熱還流装置であって、前記放熱側電極も、前記流体を加熱する熱源として前記流体中に配置される。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の熱還流装置であって、前記熱利用部が、循環流体中に配置された前記ｐ型熱電素子および前記ｎ型熱電素子からのジュール熱を熱源として前記循環流体を加熱する循環流体加熱部と、前記循環流体加熱部にて加熱された前記循環流体により前記加熱対象物を加熱する対象物加熱部と、前記対象物加熱部を通過した前記循環流体を前記循環流体加熱部へと循環させる循環流路とを備える。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の熱還流装置であって、前記放熱側電極も前記循環流体を加熱する熱源として前記循環流体中に配置され、前記放熱側電極から放出される熱が、前記循環流体を介して前記加熱対象物に付与される。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項２ないし５のいずれかに記載の熱還流装置であって、前記ｐ型熱電素子および前記ｎ型熱電素子のそれぞれの表面が絶縁層により覆われる。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、ｐ型熱電素子、ｎ型熱電素子、放熱側電極および吸熱側電極を有し、前記放熱側電極と前記吸熱側電極との間に電流を流すことにより、前記吸熱側電極にて吸収された熱を前記吸熱側電極よりも高温の前記放熱側電極へと移動するペルチェ素子を利用する加熱方法であって、ａ）前記ペルチェ素子の前記放熱側電極から加熱対象物に熱を付与する工程と、ｂ）前記ｐ型熱電素子および前記ｎ型熱電素子から発生するジュール熱を、前記加熱対象物を介して回収する工程とを備える。
請求項８に記載の発明は、熱回収装置であって、回収対象物の熱を熱源として加熱対象物を加熱する熱交換器と、前記熱交換器からの加熱対象物を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、前記膨張機にて膨張させた加熱対象物を冷却するとともに前記熱交換器に供給される加熱対象物を予備加熱する熱還流装置と、前記熱還流装置にて冷却された加熱対象物を前記熱交換器へと送出するポンプと、を備え、前記熱還流装置が、ｐ型熱電素子、ｎ型熱電素子、前記膨張機と前記ポンプとの間に配置される吸熱側電極、および、前記ポンプと前記熱交換器との間に配置される放熱側電極を有するペルチェ素子と、前記ｐ型熱電素子および前記ｎ型熱電素子から発生するジュール熱を、前記加熱対象物を介して回収する熱利用部とを備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、ペルチェ素子のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子にて発生するジュール熱を効率良く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】一の実施の形態に係る熱還流装置を示す図である。
【図２】熱還流装置における加熱の流れを示す図である。
【図３】熱還流装置を示す図である。
【図４】熱還流装置を示す図である。
【図５】原動機システムの構成を示す図である。
【図６】圧力割合Ｐｒと下限ＣＯＰとの関係を示す図である。
【図７】温調装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、本発明の一の実施の形態に係る熱還流装置６７の構成を示す図である。図１に示すように、熱還流装置６７は、ペルチェ素子６８と、熱利用部６９と、吸熱部６８５と、放熱部６８６とを備える。ペルチェ素子６８は、ｐ型熱電素子６８１と、ｎ型熱電素子６８２と、吸熱側電極６８３と、放熱側電極６８４とを備える。ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２のそれぞれの表面は、絶縁層により覆われる。吸熱側電極６８３は、吸熱部６８５に熱交換可能に取り付けられる。吸熱側電極６８３は、吸熱部６８５と一体的に形成されてもよい。放熱側電極６８４は、放熱部６８６に熱交換可能に取り付けられる。放熱側電極６８４は、放熱部６８６と一体的に形成されてもよい。熱利用部６９は、ペルチェ素子６８に取り付けられる。熱利用部６９は、ペルチェ素子６８と一体的に形成されてもよい。
【００２１】
放熱側電極６８４と吸熱側電極６８３との間には、複数のｐ型熱電素子６８１および複数のｎ型熱電素子６８２が、電気的に接続される。複数のｐ型熱電素子６８１および複数のｎ型熱電素子６８２は交互に配置され、電気的に直列に接続される。放熱側電極６８４と吸熱側電極６８３との間に電流が流されると、吸熱側電極６８３および吸熱部６８５がペルチェ効果により周囲から熱を吸収する。吸熱側電極６８３および吸熱部６８５にて吸収された熱は、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２を介して、放熱側電極６８４および放熱部６８６へとペルチェ効果により移動される。そして、放熱側電極６８４および放熱部６８６において、吸熱側電極６８３および吸熱部６８５から移動された熱が加熱対象物へと付与される。
【００２２】
また、熱還流装置６７では、図１に示す熱利用部６９の内部に配置されたｐ型熱電素子６８１とｎ型熱電素子６８２との間に電流が流れることにより、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２においてジュール熱（すなわち、電力消費による熱）が発生する。加熱対象物は、ジュール熱を発生させているｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２の周囲を流れる。換言すれば、ジュール熱を発生させているｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２が、熱利用部６９の内部を流れる加熱対象物中に配置される。これにより、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２からのジュール熱が、熱利用部６９の内部を流れる加熱対象物に付与される。換言すれば、熱利用部６９では、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２からのジュール熱を熱源として、加熱対象物が加熱される。さらに換言すれば、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２から発生するジュール熱は、熱利用部６９により加熱対象物を介して回収される。
【００２３】
このように、熱還流装置６７では、ペルチェ素子６８のｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２にて発生するジュール熱を熱利用部６９により回収することにより、吸熱側電極６８３と放熱側電極６８４との間の熱の移動がジュール熱により阻害されることを抑制することができる。また、熱還流装置６７では、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２にて発生するジュール熱を効率良く利用することができる。これにより、加熱対象物を効率良く加熱することができる。
【００２４】
熱還流装置６７では、図２に示すように、ペルチェ素子６８の放熱側電極６８４および放熱部６８６から加熱対象物に熱を付与する工程（ステップＳ１１）と、ペルチェ素子６８のｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２から発生するジュール熱を回収して加熱対象物の加熱に利用する工程（ステップＳ１２）とが行われる。
【００２５】
上述の加熱対象物は、例えば流体であり、熱利用部６９は、流体が流れる流路である。また、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２は、当該流路の内部に配置され、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２からのジュール熱が当該流路を流れる流体に付与される。これにより、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２からのジュール熱を、加熱対象物である流体に簡素な構造で容易に付与することができる。また、上述のように、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２のそれぞれの表面は、絶縁層により覆われる。これにより、当該流体中に配置されるｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２間の短絡（ショート）を防止することができる。
【００２６】
図３は、熱還流装置の他の好ましい例を示す図である。図３に示す熱還流装置６７ａでは、ペルチェ素子６８の放熱側電極６８４が、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２と同様に、流体が流れる流路である熱利用部６９の内部に配置される。放熱側電極６８４の表面は、絶縁体により覆われる。また、熱還流装置６７ａでは、図１に示す放熱部６８６が省略される。熱還流装置６７ａの他の構成は、図１に示す熱還流装置６７と略同様であり、以下の説明では、対応する構成に同符号を付す。
【００２７】
図３に示す熱還流装置６７ａでは、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２に加えて、放熱側電極６８４も、流体を加熱する熱源として、上述のように熱利用部６９の内部に配置される。このため、吸熱側電極６８３および吸熱部６８５にて吸収した熱を、放熱側電極６８４から放出して当該流体に容易に付与することができる。これにより、加熱対象物である流体を、さらに効率良く加熱することができる。また、上述のように、放熱部６８６（図１参照）を省略することができるため、熱還流装置６７ａの構造を簡素化することができる。さらに、放熱側電極６８４の表面が絶縁体により覆われることにより、上述の短絡等が生じることを防止することができる。
【００２８】
熱利用部６９は、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２から回収したジュール熱を、加熱対象物である流体に付与して加熱することができるのであれば、必ずしも、当該流体が流れる流路の一部である必要はない。
【００２９】
例えば、図４に示す熱還流装置６７ｂでは、加熱対象物である流体は、配管６１により、熱利用部６９ａを通過することなく放熱部６８６へと導かれ、放熱部６８６および放熱側電極６８４により加熱される。熱利用部６９ａは、配管６１から独立した循環流路６９１と、循環流体加熱部６９２とを備える。循環流体加熱部６９２は、循環流路６９１により放熱部６８６と接続される。循環流路６９１を循環する循環流体は、配管６１内を流れる流体と同じ種類でもよく、異なる種類でもよい。
【００３０】
循環流体加熱部６９２は、循環流路６９１により循環される循環流体が流れる流路である。循環流体加熱部６９２は、当該循環流体中に配置されたｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２からのジュール熱を熱源として、当該循環流体を加熱する。循環流体加熱部６９２にて加熱された循環流体は、循環流路６９１により放熱部６８６へと導かれる。放熱部６８６では、循環流体加熱部６９２にてジュール熱を熱源として加熱された循環流体により、配管６１内を流れる流体が加熱される。換言すれば、放熱部６８６は、加熱対象物である配管６１内の流体を循環流体加熱部６９２にて加熱された循環流体により加熱する対象物加熱部として、熱利用部６９ａに含まれる。放熱部６８６を通過した循環流体は、循環流路６９１により循環流体加熱部６９２へと循環される。
【００３１】
熱還流装置６７ｂにおいても、図１に示す熱還流装置６７と同様に、熱利用部６９ａにおいて、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２から回収されたジュール熱が、加熱対象物である流体に付与され、当該流体が加熱される。このように、熱還流装置６７ｂでは、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２にて発生するジュール熱を効率良く利用することができる。これにより、加熱対象物である作動流体を効率良く加熱することができる。また、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２のそれぞれの表面が絶縁層により覆われることにより、循環流体中に配置されるｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２間の短絡（ショート）を防止することができる。
【００３２】
熱還流装置６７ｂでは、図３に示す熱還流装置６７ａと同様に、ペルチェ素子６８の放熱側電極６８４が、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２と同様に、循環流体が流れる流路である循環流体加熱部６９２の内部に配置されてもよい。この場合、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２に加えて、放熱側電極６８４も、循環流体を加熱する熱源として循環流体加熱部６９２の内部に配置される。このため、吸熱側電極６８３および吸熱部６８５にて吸収した熱を、放熱側電極６８４から配管６１内の流体に放出して容易に付与することができる。これにより、加熱対象物である配管６１内の流体を、さらに効率良く加熱することができる。
【００３３】
以下、上述の熱還流装置６７，６７ａ，６７ｂを利用するシステムの例について説明する。図５は、図１に示す熱還流装置６７を備える原動機システム１の構成を示す図である。原動機システム１は、例えば、船舶の主機システムとして利用される。原動機システム１は、過給機付き原動機２と、過給機付き原動機２の廃熱を回収する熱回収装置６とを備える。
【００３４】
過給機付き原動機２は、内燃機関である原動機３と、ターボチャージャである過給機４とを備える装置である。原動機３は、例えば、２ストロークエンジンである舶用原動機である。過給機４は、タービン４１と、タービン４１に機械的に接続されるコンプレッサ４２とを備える。原動機３と過給機４とは、掃気路３１および排気路３２により接続される。排気路３２は、原動機３からの排気をタービン４１へと導き、タービン４１を通過した排気を原動機システム１の外部へと導く。
【００３５】
タービン４１は、原動機３から排気路３２を介して供給された排気により回転する。コンプレッサ４２は、タービン４１にて発生する回転力を利用して（すなわち、タービン４１の回転を動力として）、原動機システム１の外部から吸気路４３を介して過給機４に導かれた吸気（空気）を加圧して圧縮する。コンプレッサ４２により加圧された吸気である圧縮空気（以下、「掃気」という。）は、原動機３に供給される。このように、過給機４では、排気を利用して吸気を加圧し、掃気が生成される。掃気路３１は、加圧された吸気を過給機４から原動機３へと導く流路、すなわち、加圧吸気路である。
【００３６】
熱回収装置６は、配管６１と、熱交換器６２と、膨張機６３と、ポンプ６５と、熱還流装置６７とを備える。熱交換器６２、膨張機６３およびポンプ６５は、流体（以下、「作動流体」という。）が流れる配管６１により、上記順序にて接続される。熱回収装置６では、ランキンサイクルが実現される。熱回収装置６にて利用される作動流体は、例えば水である。当該作動流体として有機媒体が利用されてもよい。
【００３７】
図５に示すように、熱還流装置６７の吸熱側電極６８３および吸熱部６８５は、膨張機６３とポンプ６５との間に配置される。具体的には、吸熱部６８５は、配管６１のうち膨張機６３とポンプ６５との間の部位に、当該部位を流れる作動流体と熱交換可能に設けられる。例えば、吸熱部６８５は、配管６１の周囲を囲み、配管６１の外周面に取り付けられる筒状の部位である。吸熱部６８５は、配管６１の一部を構成してもよい。この場合、吸熱部６８５は、膨張機６３からポンプ６５へと作動流体が流れる流路の一部である。
【００３８】
熱利用部６９、放熱側電極６８４および放熱部６８６は、ポンプ６５と熱交換器６２との間に配置される。具体的には、熱利用部６９は、配管６１を介してポンプ６５に接続され、ポンプ６５から送出された作動流体は、熱利用部６９を通過して熱交換器６２へと導かれる。すなわち、熱利用部６９は、ポンプ６５から熱交換器６２へと作動流体が流れる流路の一部であり、配管６１の一部を構成する。図１に示すように、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２は、作動流体が流れる流路である熱利用部６９の内部に配置される。
【００３９】
また、図５に示すように、放熱部６８６は、配管６１のうちポンプ６５と熱交換器６２との間の部位（詳細には、熱利用部６９と熱交換器６２との間の部位）に、当該部位を流れる作動流体と熱交換可能に設けられる。例えば、放熱部６８６は、配管６１の周囲を囲み、配管６１の外周面に取り付けられる筒状の部位である。放熱部６８６は、配管６１の一部を構成してもよい。この場合、放熱部６８６は、ポンプ６５から熱交換器６２へと（詳細には、熱利用部６９から熱交換器６２へと）作動流体が流れる流路の一部である。
【００４０】
熱回収装置６では、ポンプ６５により液状の作動流体が加圧され、熱利用部６９および放熱部６８６を介して熱交換器６２へと送出される。熱交換器６２は、排気路３２上においてタービン４１よりも下流側に設けられる。熱交換器６２では、ポンプ６５からの液状の作動流体が、排気路３２を流れるタービン４１からの排気（すなわち、タービン４１を通過して排気路３２を流れる原動機３からの排気）を熱源として加熱されて気化（蒸発）する。当該排気は、熱交換器６２による熱回収の対象である回収対象物である。熱交換器６２を通過した作動流体は、膨張機６３へと導かれる。
【００４１】
膨張機６３は、熱交換器６２により加熱されて気化した作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する。図５に示す例では、作動流体により回転するタービンが膨張機６３として利用される。当該タービンの軸は発電機８に接続されている。熱交換器６２から配管６１を介して送り込まれる作動流体によりタービンが駆動されることにより、発電機８において発電が行われる。なお、タービン以外の構成が膨張機６３として利用されてもよい。
【００４２】
膨張機６３を通過した作動流体は、熱還流装置６７の吸熱部６８５へと導かれる。熱回収装置６では、熱還流装置６７のペルチェ素子６８に電力が供給されることにより、吸熱側電極６８３および吸熱部６８５において、膨張機６３からの作動流体からペルチェ効果により熱が吸収され、作動流体が冷却される。これにより、膨張機６３にて膨張した作動流体が凝縮（すなわち、液化）される。吸熱部６８５にて冷却されて液化した作動流体は、ポンプ６５により加圧されて熱還流装置６７の熱利用部６９へと送出される。
【００４３】
熱回収装置６では、熱利用部６９により、回収されたジュール熱が作動流体に付与されて作動流体が予備加熱される。また、吸熱側電極６８３から放熱側電極６８４へとペルチェ効果により移動された熱が作動流体に付与されて作動流体が予備加熱される。熱還流装置６７により予備加熱された作動流体は、放熱部６８６から熱交換器６２に供給される。熱交換器６２では、上述のように、放熱部６８６から供給された液状の作動流体が、排気路３２を流れる排気により加熱されて気化する。
【００４４】
以上に説明したように、熱回収装置６は、熱交換器６２と、膨張機６３と、熱還流装置６７と、ポンプ６５とを備える。熱交換器６２は、回収対象物（上述の例では、原動機３からの排気）の熱を熱源として作動流体を加熱する。膨張機６３は、熱交換器６２からの作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する。熱還流装置６７は、膨張機６３にて膨張させた作動流体を冷却するとともに、熱交換器６２に供給される作動流体を予備加熱する。熱還流装置６７は、ペルチェ素子６８と、熱利用部６９とを備える。ペルチェ素子６８は、ｐ型熱電素子６８１と、ｎ型熱電素子６８２と、膨張機６３とポンプ６５との間に配置される吸熱側電極６８３と、ポンプ６５と熱交換器６２との間に配置される放熱側電極６８４とを有する。熱利用部６９は、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２から発生するジュール熱を回収する。
【００４５】
熱回収装置６では、放熱側電極６８４と吸熱側電極６８３との間に電流が流されることにより、ペルチェ素子６８が、吸熱側電極６８３において、膨張機６３からの作動流体から熱を吸収して作動流体を冷却する。これにより、膨張機６３から送出された作動流体を冷却して液化するための凝縮器等の構成を省略することができる。その結果、熱回収装置６の構造を簡素化することができるとともに熱回収装置６を小型化することができる。
【００４６】
また、作動流体を凝縮するための凝縮器を有する熱回収装置（すなわち、比較例の熱回収装置）では、当該凝縮器において多量の水や海水が作動流体の冷却に利用されるが、図５に示す熱回収装置６では、上述のように凝縮器を省略することができるため、当該多量の水や海水は使用しない。したがって、熱回収装置６は、多量の水や海水の供給が容易ではない地域の発電装置（例えば、乾燥地帯の発電装置、山岳部の地熱発電装置）における廃熱回収に特に適している。
【００４７】
熱回収装置６では、吸熱側電極６８３にて吸収された熱を、吸熱側電極６８３よりも高温の放熱側電極６８４へと移動する。そして、放熱側電極６８４において、熱交換器６２に供給される作動流体に、吸熱側電極６８３から移動された熱が付与され、作動流体が予備加熱される。さらに、熱利用部６９において、回収されたジュール熱が、熱交換器６２に供給される作動流体に付与され、当該作動流体が予備加熱される。
【００４８】
その結果、熱回収装置６において実現されるランキンサイクルのサイクル効率を向上することができ、回収対象物からの熱の回収効率を向上することができる。例えば、作動流体として水を利用し、膨張機６３からの作動流体の凝縮温度を３８℃とした場合、熱還流装置６７を有しない比較例の熱回収装置のサイクル効率は約３０％であるのに対し、図５に示す熱回収装置６のサイクル効率は約１００％となる。
【００４９】
上述の比較例の熱回収装置では、凝縮器において作動流体が常温の海水等を冷媒として冷却される。したがって、廃熱等の回収対象物（例えば、省エネ機器の排気）が比較的低温である場合、当該回収対象物と冷媒との温度差を、ある程度以上大きくすることは難しい。このため、回収対象物からの熱の回収効率の向上に限界がある。これに対し、図５に示す熱回収装置６では、熱還流装置６７に供給する電力等を制御することにより、吸熱側電極６８３および吸熱部６８５の温度を、常温よりも低い温度まで下げることができる。これにより、熱回収装置６における回収対象物からの熱の回収効率を、さらに向上することができる。例えば、作動流体として、凝固点が０℃未満の有機媒体が利用される場合、吸熱側電極６８３および吸熱部６８５の温度を０℃以下まで下げることができ、回収対象物からの熱の回収効率を、より一層向上することができる。
【００５０】
図５に示す例では、発電機８において発電された電力がペルチェ素子６８に供給されることにより、吸熱側電極６８３から放熱側電極６８４への熱の移動が行われる。また、熱回収装置６では、ポンプ６５を駆動するための電力も必要である。したがって、熱回収装置６の正味発電量は、発電機８における発電量から、ペルチェ素子６８およびポンプ６５における消費電力を減算したものである。熱回収装置６では、正味発電量がゼロよりも大きいことが好ましい。このため、熱回収装置６では、正味発電量がゼロよりも大きくなるように、ペルチェ素子６８の性能が決定される。
【００５１】
ペルチェ素子６８の性能を示す指標の１つとして、成績係数（ＣＯＰ：Coefficient Of Performance）がある。ＣＯＰは、ペルチェ素子６８における消費電力（ｋＷ）に対する、ペルチェ素子６８により回収される熱量（ｋＷ）の割合である。以下の説明では、熱回収装置６における上述の正味発電量がゼロとなるペルチェ素子６８の成績係数ＣＯＰを「下限ＣＯＰ」と呼ぶ。
【００５２】
下限ＣＯＰは、例えば、膨張機６３入口側および出口側のそれぞれの圧力（すなわち、膨張機６３に供給される作動流体の圧力、および、膨張機６３から送出される作動流体の圧力）により変化する。図６は、膨張機６３入口側の圧力の膨張機６３出口側の圧力に対する割合と、下限ＣＯＰとの関係を示す図である。図６の横軸は当該割合である圧力割合Ｐｒを示し、縦軸は下限ＣＯＰを示す。
【００５３】
図６では、作動流体として水を用いた場合における熱回収装置６の運転条件（例えば、吸熱側電極６８３における作動流体の温度、熱交換器６２における作動流体の温度）を様々に変更してシミュレーションにより求めた圧力割合Ｐｒと下限ＣＯＰとの複数の組み合わせをプロットしている。また、図６中の線９１は、上述の複数の組み合わせを示す点の下限近傍を示す近似線である。熱回収装置６では、ペルチェ素子６８のＣＯＰが、図６において下限ＣＯＰを示す線９１よりも大きいことが好ましい。具体的には、ペルチェ素子６８の成績係数ＣＯＰは、「ＣＯＰ＞５．８×Ｐｒ−０．１」を満たす。これにより、熱回収装置６の正味発電量を確実にゼロよりも大きくすることができる。なお、作動流体の蒸発圧力および蒸発温度、並びに、作動流体の凝縮温度および凝縮圧力は平衡関係にあるため、実質的に「ＣＯＰ＞５．８×Ｐｒ−０．１」を満たすように、ＣＯＰの範囲を作動流体の温度にて規定してもよい。
【００５４】
図７は、図３に示す熱還流装置６７ａを備える温調装置７の構成を示す図である。図７に示す温調装置７では、冷却対象室７０の冷却と、ランキンサイクルを利用した発電とが行われる。冷却対象室７０は、例えば、居室、冷蔵室または冷凍室である。図７に示す例では、熱還流装置６７ａから吸熱部６８５（図３参照）が省略される。
【００５５】
温調装置７は、配管７１と、熱還流装置６７ａと、膨張機７３と、凝縮器７４と、ポンプ７５とを備える。熱還流装置６７ａ、膨張機７３、凝縮器７４およびポンプ７５は、作動流体が流れる循環流路である配管７１により、上記順序にて接続される。温調装置７では、ランキンサイクルが実現される。温調装置７にて利用される作動流体は、例えば水である。当該作動流体として有機媒体が利用されてもよい。
【００５６】
熱還流装置６７ａは、ペルチェ素子６８と、熱利用部６９とを備える。熱利用部６９は、配管７１により導かれる作動流体が流れる流路であり、ペルチェ素子６８の放熱側電極６８４は、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２と共に熱利用部６９の内部に配置される。ペルチェ素子６８の吸熱側電極６８３は、冷却対象室７０に配置される。
【００５７】
ペルチェ素子６８において、放熱側電極６８４と吸熱側電極６８３との間に電流が流されると、冷却対象室７０に配置された吸熱側電極６８３が、ペルチェ効果により周囲から熱を吸収する。これにより、冷却対象室７０の内部空間が冷却される。吸熱側電極６８３にて吸収された熱は、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２を介して、吸熱側電極６８３よりも高温の放熱側電極６８４へと移動される。放熱側電極６８４では、吸熱側電極６８３から移動された熱が、加熱対象物である作動流体（すなわち、熱利用部６９の内部を流れる作動流体）に付与される。
【００５８】
熱利用部６９では、また、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２にて発生したジュール熱が、熱利用部６９の内部を流れる作動流体に付与される。換言すれば、熱利用部６９では、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２からのジュール熱を熱源として、作動流体が加熱される。さらに換言すれば、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２から発生するジュール熱は、熱利用部６９により作動流体を介して回収される。
【００５９】
このように、熱還流装置６７ａでは、吸熱側電極６８３から放熱側電極６８４へと移動された熱、並びに、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２のジュール熱が、熱利用部６９の内部を流れる作動流体に付与されることにより、当該作動流体が加熱されて気化する。熱還流装置６７ａを通過した作動流体は、膨張機７３へと導かれる。
【００６０】
膨張機７３は、熱還流装置６７ａにより加熱されて気化した作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する。図７に示す例では、作動流体により回転するタービンが膨張機７３として利用される。当該タービンの軸は発電機７８に接続されている。熱還流装置６７ａから配管７１を介して送り込まれる作動流体によりタービンが駆動されることにより、発電機７８において発電が行われる。なお、タービン以外の構成が膨張機７３として利用されてもよい。膨張機７３を通過した作動流体は、凝縮器７４へと導かれる。凝縮器７４は、膨張機６３からの作動流体を冷却して液化する。凝縮器７４にて冷却されて液化した作動流体は、ポンプ７５により加圧されて熱還流装置６７ａの熱利用部６９へと送出される。
【００６１】
上述のように、温調装置７では、熱還流装置６７ａにおいて吸熱側電極６８３から放熱側電極６８４へと移動された熱が、加熱対象物である作動流体に付与される。また、熱利用部６９により、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２から発生するジュール熱が回収されて、当該作動流体の加熱に利用される。このように、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２にて発生するジュール熱を回収することにより、吸熱側電極６８３と放熱側電極６８４との間の熱の移動がジュール熱により阻害されることを抑制することができる。また、熱還流装置６７ａでは、ｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２にて発生するジュール熱を効率良く利用することができる。これにより、加熱対象物である作動流体を効率良く加熱することができる。
【００６２】
熱還流装置６７ａでは、例えば、熱利用部６９の内部の圧力を低くして作動流体の蒸発温度を下げる制御が行われてもよい。これにより、熱利用部６９の内部を流れる作動流体の温度を下げることができるため、吸熱側電極６８３への熱貫流量を低減することができる。その結果、熱還流装置６７ａによる熱の移動効率を向上することができる。
【００６３】
なお、温調装置７の熱還流装置６７ａでは、図１に示す熱還流装置６７と同様に、放熱側電極６８４が、熱利用部６９の外部に配置され、放熱部６８６に熱交換可能に取り付けられてもよい。この場合、作動流体は、熱利用部６９の内部および放熱部６８６の内部を順に通過することにより加熱されて気化し、膨張機７３へと供給される。
【００６４】
上述の温調装置７では、熱還流装置６７ａにより加熱された作動流体により膨張機６３および発電機７８を駆動して発電が行われるが、当該作動流体は、他の目的に利用されてもよい。例えば、熱還流装置６７ａにより加熱された作動流体により空気が加熱され、当該空気が室内に供給されることにより、当該室内の暖房が行われてもよい。
【００６５】
上述の熱還流装置６７，６７ａ，６７ｂ、熱回収装置６、原動機システム１および温調装置７では、様々な変更が可能である。
【００６６】
例えば、図５に示す原動機システム１、および、図７に示す温調装置７では、熱還流装置６７，６７ａ，６７ｂのいずれが利用されてもよい。
【００６７】
図５に示す熱回収装置６では、図１に示す熱還流装置６７の熱利用部６９および放熱部６８６において作動流体が加熱されることにより、作動流体の一部または全部が気化されてもよい。図３に示す熱還流装置６７ａ、および、図４に示す熱還流装置６７ｂが熱回収装置６に利用される場合も同様である。
【００６８】
熱還流装置６７，６７ａ，６７ｂの熱利用部６９において作動流体が気化される場合、例えば、熱利用部６９の内部の圧力を低くして作動流体の蒸発温度を下げる制御が行われてもよい。これにより、熱利用部６９を流れる作動流体の内部温度が下がるため、吸熱側電極６８３への熱貫流量を低減することができる。その結果、熱還流装置６７，６７ａ，６７ｂによる熱の移動効率を向上することができる。
【００６９】
図５に示す熱回収装置６の熱還流装置６７では、吸熱部６８５が省略されてもよい。この場合、吸熱側電極６８３は、膨張機６３とポンプ６５との間にて配管６１に直接的に取り付けられ、配管６１内を流れる作動流体から熱を吸収して作動流体を冷却する。また、熱還流装置６７では、放熱部６８６が省略されてもよい。この場合、放熱側電極６８４は、熱利用部６９と熱交換器６２との間にて配管６１に直接的に取り付けられ、配管６１内を流れる作動流体に、吸熱側電極６８３から移動された熱を付与して作動流体を予備加熱する。
【００７０】
熱回収装置６では、作動流体を冷却する凝縮器等の冷却装置が、膨張機６３とポンプ６５との間に設けられてもよい。この場合、熱還流装置６７，６７ａ，６７ｂが設けられることにより、当該冷却装置を小型化することができる。
【００７１】
熱回収装置６では、ペルチェ素子６８に供給される電力は、発電機８により発電されたものには限定されない。熱回収装置６の外部の電源からペルチェ素子６８に電力が供給されてもよい。
【００７２】
原動機３は、例えば、４ストロークエンジンであってもよい。この場合、コンプレッサ４２により加圧された吸気である圧縮空気は「給気」と呼ばれ、掃気路３１は給気路と呼ばれる。また、原動機３は、舶用原動機以外の内燃機関であってもよく、内燃機関以外の原動機であってもよい。また、熱回収装置６は、原動機システム以外の有効な未利用廃熱源が存在する様々な設備やプラント（例えば、ゴミ焼却設備や発電プラント）において利用可能である。
【００７３】
上述の熱還流装置６７，６７ａ，６７ｂは、熱回収装置６、原動機システム１および温調装置７以外の様々な装置に利用されてよい。また、例えば、図１に示す熱還流装置６７では、熱利用部６９によりｐ型熱電素子６８１およびｎ型熱電素子６８２から回収されるジュール熱は、吸熱側電極６８３から放熱側電極６８４へと移動された熱が付与される対象物とは異なる対象物の加熱に利用されてもよい。
【００７４】
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
【符号の説明】
【００７５】
６７，６７ａ，６７ｂ    熱還流装置
６８    ペルチェ素子
６９，６９ａ    熱利用部
６８１    ｐ型熱電素子
６８２    ｎ型熱電素子
６８３    吸熱側電極
６８４    放熱側電極
６８６    放熱部
６９１    循環流路
６９２    循環流体加熱部
Ｓ１１，Ｓ１２    ステップ
【図１】
0006623005.tif 000002
【図２】
0006623005.tif 000003
【図３】
0006623005.tif 000004
【図４】
0006623005.tif 000005
【図５】
0006623005.tif 000006
【図６】
0006623005.tif 000007
【図７】
0006623005.tif 000008