(57)【要約】【課題】発熱部の放熱を効率よく利用することにより、より大きな電力を発生することのできる熱発電装置を提供すること。【解決手段】熱電変換モジュール２１を上基板２６ｂ側が加熱されるようにしてバーナー２０ａの下面に取り付けて熱発電装置２０を構成して、上基板２６ｂ側と下基板２６ａ側との間に生じる温度差に応じて熱電変換モジュール２１が電力を発生するようにした。また、熱電変換モジュール２１における発電に利用されずに熱電変換モジュール２１から放出される熱を回収する断熱管２３を設け、断熱管２３が回収する熱を用いて再度熱電変換モジュール２４で発電するようにした。また、複数の熱電変換モジュール３１，３４，３７と複数の断熱管３３，３６とを設け、各熱電変換モジュール３１等の放熱を回収した各断熱管３３等がその熱を順次つぎの熱電変換モジュール３４等に送るようにした。【選択図】  図２
2004350335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向させて配置した一対の絶縁基板における対向する内側の面の所定箇所に電極を形成し、前記対向する電極にそれぞれ熱電素子の端面を接合して構成された熱電変換モジュールを一方の絶縁基板側が加熱されるようにして発熱部の近傍に取り付けて、前記熱電素子における一方の絶縁基板側の端部と他方の絶縁基板側の端部との間に生じる温度差に応じて前記熱電変換モジュールに電力を発生させる熱発電装置であって、
前記熱電変換モジュールにおける発電に利用されずに前記熱電変換モジュールから放出される熱を回収する熱回収部材を設け、前記熱回収部材が回収する熱を再度熱電変換モジュールを用いた発電に利用することを特徴とする熱発電装置。
【請求項２】
前記熱電変換モジュールが２個の熱電変換モジュールで構成され、前記熱回収部材が、一方の熱電変換モジュールの放熱を回収しその熱を他方の熱電変換モジュールに送るようにした請求項１に記載の熱発電装置。
【請求項３】
前記熱電変換モジュールと前記熱回収部材とをそれぞれ複数個で構成して、前記複数個の熱電変換モジュールと前記複数個の熱回収部材とをそれぞれ交互に設置し、各熱電変換モジュールの放熱を回収した各熱回収部材がその熱を順次つぎの熱電変換モジュールに送るようにした請求項１に記載の熱発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱部からの放熱を利用して発電する熱発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ペルチェ効果を利用して熱電気変換を行う熱電変換モジュールが加熱・冷却装置および発電装置等に用いられている。この熱電変換モジュールは、一対の絶縁基板における相対向する内側の面の所定箇所に複数の電極を形成し、この相対向する電極にそれぞれ熱電素子の上下の端面をハンダ付けすることにより、一対の絶縁基板間に複数の熱電素子を固定して構成されている。
【０００３】
そして、この熱電変換モジュールは、例えば、ランプの発熱部の上方に取り付けられて、発熱部の発熱により加熱される吸熱側の絶縁基板と放熱側の絶縁基板との間の温度差によって生じる電力を利用して、ラジオやテレビ等の装置を作動させる熱発電装置に用いられている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６４−５０３０３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の熱発電装置では、熱電変換モジュールに伝導される熱量のうち発電に利用される熱量は一部であり、大部分の熱が熱電変換モジュールの外部に放出される。このため、ランプから放出され熱電変換モジュールに伝導される熱の効果的な利用ができず熱発電装置が発生する電力を大きくすることができないという問題がある。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、発熱部の放熱を効率よく利用することにより、より大きな電力を発生することのできる熱発電装置を提供することである。
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明にかかる熱発電装置の構成上の特徴は、対向させて配置した一対の絶縁基板における対向する内側の面の所定箇所に電極を形成し、対向する電極にそれぞれ熱電素子の端面を接合して構成された熱電変換モジュールを一方の絶縁基板側が加熱されるようにして発熱部の近傍に取り付けて、熱電素子における一方の絶縁基板側の端部と他方の絶縁基板側の端部との間に生じる温度差に応じて熱電変換モジュールに電力を発生させる熱発電装置であって、熱電変換モジュールにおける発電に利用されずに熱電変換モジュールから放出される熱を回収する熱回収部材を設け、熱回収部材が回収する熱を再度熱電変換モジュールを用いた発電に利用することにある。
【０００８】
このように構成した本発明の熱発電装置においては、発熱部からの熱電変換モジュールに伝導される熱の一部は熱電変換モジュールの発電に利用され、残りの熱は発電に利用されずに放出されるが、この熱電変換モジュールからの放熱を熱回収部材で回収するようにしている。そして、熱回収部材が回収した熱は、再度熱電変換モジュールによる発電に利用される。したがって、発熱部から熱電変換モジュールに伝導された熱は、無駄なく発電に利用されるようになり、熱発電装置の発電量が大きくなる。この場合の熱回収部材としては、気流を利用して熱の伝導を行うヒートパイプや、高熱伝導性を有する棒状または板状の材料で構成することができる。
【０００９】
本発明にかかる熱発電装置の他の構成上の特徴は、熱電変換モジュールが２個の熱電変換モジュールで構成され、熱回収部材が、一方の熱電変換モジュールの放熱を回収しその熱を他方の熱電変換モジュールに送るようにしたことにある。これによると、２個の熱電変換モジュールで発電が行われるため、発熱部側に設けられた熱電変換モジュールの放熱をむだにすることなく有効に利用してより大きな発電量を得ることができる。また、この場合、２個の熱電変換モジュールが発生する電力をそれぞれ別の用途で使用することもできる。
【００１０】
本発明にかかる熱発電装置のさらに他の構成上の特徴は、熱電変換モジュールと熱回収部材とをそれぞれ複数個で構成して、複数個の熱電変換モジュールと複数個の熱回収部材とをそれぞれ交互に設置し、各熱電変換モジュールの放熱を回収した各熱回収部材がその熱を順次つぎの熱電変換モジュールに送るようにしたことにある。
【００１１】
この熱発電装置では、２個の熱電変換モジュールと１個の熱回収部材に加えて、さらに３番目および４番目以上の熱電変換モジュールとこれらの各熱電変換モジュールの放熱を回収してつぎの熱電変換モジュールに送る熱回収部材とが設けられている。このため、発熱部から最初の熱電変換モジュールに伝導された熱を殆どむだにすることなく発電に利用することができるようになる。これによって、発熱部から伝導される熱を最大限に利用することができるようになる。
【００１２】
また、本発明にかかる熱発電装置は、例えば石油ファンヒーターに設けて、発熱部を、石油ファンヒーターが備える発熱部で構成することができる。これによると、発熱部の発熱量が大きいため熱発電装置の発電量を大きくすることができる。また、熱発電装置が発生する電力は、石油ファンヒーターの外部のラジオやテレビを作動させるための電力に利用したり、充電機能を備えた装置の充電に使用したりすることができる。これによって、それらの装置を作動させるための電源を別途設ける必要がなくなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明にかかる熱発電装置２０を備えた石油ファンヒーター１０を示している。この石油ファンヒーター１０は、箱状の筺体１１の内部に、熱発電装置２０の一部を構成する発熱部としてのバーナー２０ａ、空気供給ファン１２、灯油タンク１３、気化装置１４および温風ファン１５等を備えている。
【００１４】
筐体１１の内部には、内面が熱を遮断するための反射面に形成された熱遮断壁１１ａが設けられ、筐体１１と熱遮断壁１１ａとの前面には、温風を吐出するための温風吐出口１１ｂが設けられている。また、熱遮断壁１１ａの底面には開口部が設けられ、その開口部にバーナー２０ａが設置されている。そして、筐体１１の後面における下部側部分に開口部が設けられて、その開口部に、バーナー２０ａに空気を送るための空気供給ファン１２が設置されている。また、筐体１１と熱遮断壁１１ａとの後面における上部側部分にも、開口部が設けられて、その開口部には、温風を温風吐出口１１ｂから吐出させるための温風ファン１５が設置されている。
【００１５】
筐体１１の後部側の一方の角部には、上面が蓋によって開閉可能になった凹部（図示せず）が設けられ、この凹部内に縦長の容器からなる灯油タンク１３が出し入れ可能な状態で設置されている。また、バーナー２０ａの下面には、気化装置１４が設けられ、この気化装置１４には、空気供給ファン１２が外部から吸引する空気を気化装置１４に送るための空気導入路１６および灯油タンク１３に収容された灯油を気化装置１４に送るためのノズル１７が接続されている。そして、バーナー２０ａの近傍には、気化装置１４が気化した灯油と空気との混合気を点火するための点火装置１８が設けられている。
【００１６】
熱発電装置２０は、前述したバーナー２０ａの底面部の下面に、図２に示したように、熱電変換モジュール２１およびフィン付冷却ファン２２を取り付け、さらに本発明の熱回収部材としての断熱管２３を介して、熱電変換モジュール２４およびフィン付冷却ファン２５を取り付けて構成されている。
【００１７】
熱電変換モジュール２１は、図３および図４に示したように、下基板２６ａと上基板２６ｂとからなる一対の絶縁基板を備えており、下基板２６ａの上面における所定部分に下部電極２７ａが取り付けられ、上基板２６ｂの下面における所定部分に上部電極２７ｂが取り付けられている。そして、チップからなる熱電素子２８が、それぞれ下端面を下部電極２７ａにハンダ付けにより固定され、上端面を上部電極２７ｂにハンダ付けにより固定されて下基板２６ａと上基板２６ｂとを一体的に連結している。
【００１８】
下部電極２７ａと上部電極２７ｂとは、それぞれ熱電素子２８の略１個分に等しい距離をずらして取り付けられている。上基板２６ｂの各上部電極２７ｂには、それぞれ２個の熱電素子２８の上端面が接合されており、下基板２６ａの下部電極２７ａには、１個の熱電素子２８の下端面だけが接合されているものと、２個の熱電素子２８の下端面が接合されるものとがある。そして、１個の熱電素子２８の下端面だけが接合される下部電極２７ａは下基板２６ａの一方側（図３の後方側）の２箇所の角部に設けられ、その下部電極２７ａには、リード線２９ａ，２９ｂが取り付けられ外部に通電可能になっている。
【００１９】
下基板２６ａおよび上基板２６ｂはアルミナからなる板で構成され、熱電素子２８は、直方体に形成されたビスマス・テルル系の合金からなるＰ型の素子とＮ型の素子とからなっている。一般に、熱電材料の性能指数は、その種類により大きさが異なり、また、それぞれ固有の温度依存性と極大値を示す温度も異なるため、照明、プロジェクターなどの民生用機器で、使用温度域が、５００〜６００Ｋより小さいものについては、ビスマス・テルル系（Ｐ型素子については例えば、Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３、Ｎ型素子については例えばＢｉ２Ｓｂ２．８Ｓｅ０．２等）の合金を用いることが好ましい。
【００２０】
また、この熱電素子２８は、下基板２６ａと上基板２６ｂとの間で下部電極２７ａおよび上部電極２７ｂを介して直列になるように接続されている。このように構成された熱電変換モジュール２１は、バーナー２０ａの下面に固定され、灯油の燃焼によるバーナー２０ａの発熱の一部が伝導される。
【００２１】
そして、バーナー２０ａの発熱によって直接加熱される上基板２６ｂと加熱量の少ない下基板２６ａとの間に生じる温度差に応じて電力を発生する。また、熱電変換モジュール２１から延びるリード線２９ａ，２９ｂの端部はそれぞれ筐体１１に設けられた端子（図示せず）に接続されている。このため、この端子に外部の装置を接続することにより、熱電変換モジュール２１が発生する電力をその装置に供給することができる。
【００２２】
フィン付冷却ファン２２は、アルミニウムからなるブロック体の下面に一定間隔で前後に貫通する複数の放熱溝２２ｃが設けられたプレート型の放熱フィン２２ａと、放熱フィン２２ａの下面に取り付けられた冷却ファン２２ｂとで構成され、熱電変換モジュール２１の下基板２６ａの下面に固定されている。フィン付冷却ファン２２の放熱フィン２２ａは、複数の放熱溝２２ｃを設けて下面の表面積を大きくすることによって放熱性を向上させるようになっており、熱電変換モジュール２１の下基板２６ａ側の放熱量を多くする。
【００２３】
また、冷却ファン２２ｂは、軸流空冷ファンで構成され、放熱フィン２２ａに向けて空気を送ることにより、放熱フィン２２ａを冷却し、放熱フィン２２ａによる熱電変換モジュール２１の下基板２６ａ側の放熱量を大きくする。これによって、熱電変換モジュール２１の下基板２６ａ側と上基板２６ｂ側との温度差が大きくなり、熱電変換モジュール２１が発生する電力が大きくなる。
【００２４】
断熱管２３は、内周部２３ａと外周部２３ｂとの間が略真空状態に減圧された空間部２３ｂに形成された真空二重構造の断熱管で構成されており、放熱フィン２２ａの側面に開口部を位置させて長手方向を水平方向に沿わせて取り付けられている。また、断熱管２３の先端側部分の下面には、開口部２３ｃが形成されている。そして、開口部２３ｃに熱電変換モジュール２４の上基板２４ｂが取り付けられ、熱電変換モジュール２４の下基板２４ａの下面にフィン付冷却ファン２５が取り付けられている。
【００２５】
熱電変換モジュール２４は熱電変換モジュール２１と同一のもので構成され、フィン付冷却ファン２５はフィン付冷却ファン２２と同一のもので構成されている。したがって、説明は省略する。なお、熱電変換モジュール２４が備える一対のリード線の端部も筐体１１に設けられた端子に接続され、熱電変換モジュール２４が発生する電力を外部の装置に供給することができる。
【００２６】
このように構成された石油ファンヒーター１０を作動させる際には、灯油タンク１３に灯油を入れ、石油ファンヒーター１０を電源に接続した状態で、スイッチをオン状態にする。これによって、空気供給ファン１２が作動して、外部の空気が空気導入路１６を介して気化装置１４に供給されるとともに、灯油タンク１３の灯油がノズル１７を介して気化装置１４に供給される。そして、気化装置１４内で気化された灯油と空気が混合されて混合気として気化装置１４から吐出される際に、点火装置１８によって点火されバーナー２０ａが発火する。
【００２７】
そして、バーナー２０ａの発火によって加熱された空気は上昇気流となって、熱遮断壁１１ａの天井部側に向かって流れる。その際に、温風ファン１５の作動による空気流によってその温風は温風吐出口１１ｂ側に向かうように流れの方向を変更され、温風吐出口１１ｂ側から外部に吐出される。この際、バーナー２０ａから放出される熱の一部は、熱電変換モジュール２１の上基板２６ｂに伝導される。また、熱電変換モジュール２１の下基板２６ａは、フィン付冷却ファン２２の放熱フィン２２ａによる放熱によって冷却されるとともに、冷却ファン２２ｂから供給される空気流によって空冷される。
【００２８】
この結果、熱電素子２８における下基板２６ａ側の端部と上基板２６ｂ側の端部との間には大きな温度差が生じ、この温度差に応じて熱電変換モジュール２１は発電する。この熱電変換モジュール２１が発生する電力は、石油ファンヒーター１０の端子に接続された外部の装置に供給され、その装置を作動させる。また、放熱フィン２２ａから放出される熱は、温風となって断熱管２３に吹き込まれて、断熱管２３の先端側に流れて行く。
【００２９】
このため、断熱管２３の開口部２３ｃに取り付けられた熱電変換モジュール２４の上基板２６ｂは温風によって加熱され昇温する。また、熱電変換モジュール２４の下基板２４ａは、フィン付冷却ファン２５の放熱フィン２５ａによる放熱によって冷却されるとともに、冷却ファン２５ｂから供給される空気流によって空冷される。この結果、下基板２４ａ側と上基板２４ｂ側との間には温度差が生じ、この温度差に応じて熱電変換モジュール２４は発電する。この熱電変換モジュール２４が発生する電力も、石油ファンヒーター１０に接続された外部の装置に供給される。なお、この場合の冷却ファン２２ｂ，２５ｂを作動させるための電力は、石油ファンヒーター１０に供給される電源からの電力としてもよいし、熱電変換モジュール２１，２４の発電による電力としてもよい。
【００３０】
このように、本実施形態に係る熱発電装置２０を備えた石油ファンヒーター１０では、バーナー２０ａの下面に熱電変換モジュール２１を取り付けるとともに、熱電変換モジュール２１の下面にフィン付冷却ファン２２を取り付けている。そして、フィン付冷却ファン２２の放熱フィン２２ａに断熱管２３を取り付けて、この断熱管２３の先端部分の下部に、さらに熱電変換モジュール２４とフィン付冷却ファン２５とを取り付けている。
【００３１】
したがって、熱電変換モジュール２１に伝導された熱が発電に利用されるとともに、熱電変換モジュール２１から放出される熱が断熱管２３を介して熱電変換モジュール２４に伝導され熱電変換モジュール２４よる発電に利用される。このため、バーナー２０ａから熱電変換モジュール２１に伝導された熱は、効率よく発電に利用されより大きな発電量を得ることができる。
【００３２】
図５は、本発明の他の実施形態による熱発電装置３０を示している。この熱発電装置３０では、前述した熱発電装置２０と同様の構成からなるバーナー３０ａ、熱電変換モジュール３１、フィン付冷却ファン３２、断熱管３３、熱電変換モジュール３４およびフィン付冷却ファン３５を備えている。そして、フィン付冷却ファン３５の放熱フィン３５ａに断熱管３６が取り付けられ、断熱管３６の先端下部に設けられた開口部３６ｃに熱電変換モジュール３７が取り付けられ、熱電変換モジュール３７の下面にフィン付冷却ファン３８が取り付けられている。
【００３３】
熱電変換モジュール３７は、熱電変換モジュール３１，３４と同一のもので構成され、断熱管３６は断熱管３３と同一のもので構成されている。この熱発電装置３０を備えた石油ファンヒーターのそれ以外の部分の構成については、前述した石油ファンヒーター１０と同様である。このように構成したことにより、さらに多くの電力を発生することができる。
【００３４】
例えば、バーナー３０ａから、熱電変換モジュール３１の上基板３１ｂに伝導された熱量がＱで、熱電変換モジュール３１が熱量Ｑを電力に変換する変換効率がη１であるとすると、熱電変換モジュール３１の発電量は、Ｑ×η１となり、発電に利用されずに熱電変換モジュール３１の下基板３１ａ側から放出される熱量は、Ｑ×（１−η１）となる。また、断熱管３３による熱の回収率をε１とすると、熱電変換モジュール３４の上基板３４ｂに伝導される熱量は、Ｑ×（１−η１）×ε１となる。そして、熱電変換モジュール３４の変換効率がη２であるとすると、熱電変換モジュール３４の発電量は、Ｑ×（１−η１）×ε１×η２となり、発電に利用されずに熱電変換モジュール３４の下基板３４ａ側から放出される熱量は、Ｑ×（１−η１）×ε１×（１−η２）となる。
【００３５】
さらに、断熱管３６による熱の回収率をε２とすると、熱電変換モジュール３７の上基板３７ｂに伝導される熱量は、Ｑ×（１−η１）×ε１×（１−η２）×ε２となる。そして、熱電変換モジュール３７の変換効率がη３であるとすると、熱電変換モジュール３７の発電量は、Ｑ×（１−η１）×ε１×（１−η２）×ε２×η３となり、発電に利用されずに熱電変換モジュール３７の下基板３７ａ側から放出される熱量は、Ｑ×（１−η１）×ε１×（１−η２）×ε２×（１−η３）となる。
【００３６】
このため、１個の熱電変換モジュールを備えた従来の熱発電装置では、発電量がＱ×η１となり、図２に示した熱発電装置２０では、Ｑ×η１と、Ｑ×（１−η１）×ε１×η２との合計値となる。また、図５に示した熱発電装置３０では、発電量が、熱発電装置２０の発電量に、さらにＱ×（１−η１）×ε１×（１−η２）×ε２×η３を加算した値になる。このように、熱電変換モジュールおよび断熱管の数が増加するにしたがって、発電量は増加して、最終的に放出される熱量は減少していく。この発電量は、下記の数式１によって表すことができる。なお、各熱電モジュールおよび各断熱管は同一のもので構成されているが、供給される熱量がそれぞれ異なるため、変換効率および熱回収率の値はそれぞれ異なったものになる。
【００３７】
【数１】
2004350335.tif 000003
【００３８】
つぎに、図２に示した熱発電装置２０と、熱発電装置２０から断熱管２３、熱電変換モジュール２４およびフィン付冷却ファン２５を取り除いた構成からなる従来の熱発電装置（比較例）との発電量の比較テストを行った。この場合、各熱電変換モジュールとしては、縦横のサイズがともに５０ｍｍで、高さが５ｍｍのものを使用した。また、フィン付冷却ファン２５等の各放熱フィンの表面積は０．３ｍ２で、各冷却ファンとしては、消費電力が２Ｗの軸流空冷ファンを用いた。
【００３９】
また、この比較テストは、熱発電装置２０の上基板２１ｂおよび比較例による熱発電装置の上基板をヒーターの下面に取り付け、ヒーターから１００Ｗの熱量を各上基板に伝導させることによって行った。この場合、熱電変換モジュール２１および比較例による熱発電装置の熱電変換モジュールの変換効率η１は５％で、熱電変換モジュール２４の変換効率η２は２％であった。また、断熱管２３の熱回収率ε１は５０％であった。この結果、熱発電装置２０の発電量は、５．９５Ｗで、比較例による熱発電装置の発電量は、５．０Ｗであった。
【００４０】
このように、１個の熱電変換モジュールを備えた従来の熱発電装置よりも２個の熱電変換モジュール２１，２４および断熱管２３を備えた熱発電装置２０の方が大きな電力を発生できる。また、熱発電装置３０のようにさらに熱電変換モジュールおよび断熱管の数を増加させると発電量はさらに多くなる。
【００４１】
また、本発明に係る熱発電装置は前述した各実施形態に限定するものでなく適宜変更が可能である。例えば、前述した各実施形態では、熱回収部材を管状の断熱管２３，３３，３６で構成したが、この熱回収部材としては高熱伝導性を有する板状や棒状のもので構成してもよい。また、この熱発電装置２０，３０は石油ファンヒーター１０に限らず、発熱部を備えたものであればどのような装置にでも適用できるものである。さらに、熱発電装置２０等が発生する電力は、熱発電装置２０等が設けられた装置が備える装置の作動に使用してもよいし、外部の装置の作動や充電のために用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による熱発電装置を備えた石油ファンヒーターを示す概略構成図である。
【図２】図１に示した石油ファンヒーターが備える熱発電装置の概略を示す正面図である。
【図３】熱電変換モジュールの斜視図である。
【図４】熱電変換モジュールの正面図である。
【図５】他の実施形態による熱発電装置を示す正面図である。
【符号の説明】
２０，３０…熱発電装置、２０ａ，３０ａ…バーナー、２１，２４，３１，３４，３７…熱電変換モジュール、２３，３３，３６…断熱管、２４ａ，２６ａ，３１ａ，３４ａ，３７ａ…下基板、２４ｂ，２６ｂ，３１ｂ，３４ｂ，３７ｂ…上基板、２７ａ…下部電極、２７ｂ…上部電極、２８…熱電素子。
【図１】
2004350335.tif 000004
【図２】
2004350335.tif 000005
【図３】
2004350335.tif 000006
【図４】
2004350335.tif 000007
【図５】
2004350335.tif 000008