(57)【要約】【課題】エミッタからの熱漏れを抑制する。【解決手段】燃焼室３の上方にエミッタ５を対面配置し、燃焼室３の下方に光電変換素子を配置して燃焼室３に対面するエミッタ表面と光電変換素子とを互いに対面させる。エミッタ５を、それぞれ板状に拡がる複数のエミッタ素子５ａ−５ｉを燃焼室３から鉛直方向Ｋ−Ｋに間隙５ａｂ−５ｈｉを隔てつつ互いに積層した積層体から形成する。燃焼室３内の燃焼ガスはこれら間隙５ａｂ−５ｈｉ内を順次流通し、エミッタ５の温度が上昇される。エミッタ５からの輻射光が光電変換素子に入射されて光電変換素子から電気エネルギが取り出される。【選択図】　　　図３
2004063484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室の一側にエミッタを配置すると共に燃焼室の他側に光電変換素子を配置して燃焼室に対面するエミッタ表面と光電変換素子とを互いに対面せしめ、燃焼室によりエミッタの温度を上昇させると共にエミッタからの輻射光を光電変換素子に入射させて該光電変換素子から電気エネルギを取り出すようにした熱光発電装置において、エミッタを、それぞれ板状に拡がる複数のエミッタ素子を燃焼室からエミッタに向かう方向に間隙を隔てつつ互いに積層した積層体から形成した熱光発電装置。
【請求項２】
燃焼室からの燃焼ガスがエミッタ素子間の間隙内をエミッタ表面に沿いつつ流通するようにした請求項１に記載の熱光発電装置。
【請求項３】
エミッタ素子に開口を設けて該開口を介し燃焼ガスがエミッタ素子の一側から他側に流通するようにした請求項２に記載の熱光発電装置。
【請求項４】
光電変換素子に対面するエミッタ素子の熱容量を他のエミッタ素子の熱容量よりも小さく設定した請求項１に記載の熱光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱光発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼室の一側にエミッタを配置すると共に燃焼室の他側に光電変換素子を配置して燃焼室に対面するエミッタ表面と光電変換素子とを互いに対面せしめ、燃焼室によりエミッタの温度を上昇させると共にエミッタからの輻射光を光電変換素子に入射させて光電変換素子から電気エネルギを取り出すようにした熱光発電装置が公知である（特開昭６３−３１６４８６号公報参照）。この熱光発電装置では、エミッタを多孔質体から形成し、多孔質体の細孔内を燃焼室の燃焼ガスが流通するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、熱光発電装置の発電効率を高めるためには、光電変換素子に対面するエミッタ表面の温度を高くすることが重要である。
【０００４】
しかしながら、上述した熱光発電装置では燃焼ガスから多孔質体への熱移動が必ずしも大きくなく、また多孔質体自体の伝熱作用でもって、燃焼室に対面するエミッタ表面から、燃焼室と反対側に位置するエミッタ表面に向かう熱移動が生じ、即ちエミッタからの熱の漏れを抑制することができない。その結果、光電変換素子に対面するエミッタ表面の温度を高くするのが困難であるという問題点がある。
【０００５】
そこで本発明の目的は、エミッタからの熱漏れを抑制することができる熱光発電装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、燃焼室の一側にエミッタを配置すると共に燃焼室の他側に光電変換素子を配置して燃焼室に対面するエミッタ表面と光電変換素子とを互いに対面せしめ、燃焼室によりエミッタの温度を上昇させると共にエミッタからの輻射光を光電変換素子に入射させて該光電変換素子から電気エネルギを取り出すようにした熱光発電装置において、エミッタを、それぞれ板状に拡がる複数のエミッタ素子を燃焼室からエミッタに向かう方向に間隙を隔てつつ互いに積層した積層体から形成している。
【０００７】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、燃焼室からの燃焼ガスがエミッタ素子間の間隙内をエミッタ表面に沿いつつ流通するようにしている。
【０００８】
また、３番目の発明によれば２番目の発明において、エミッタ素子に開口を設けて該開口を介し燃焼ガスがエミッタ素子の一側から他側に流通するようにしている。
【０００９】
また、４番目の発明によれば１番目の発明において、光電変換素子に対面するエミッタ素子の熱容量を他のエミッタ素子の熱容量よりも小さく設定している。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を参照すると、１は熱光発電装置、２はケーシング、３はケーシング２内に形成された燃焼室、４は燃焼室３上方において燃焼室３と連通するようケーシング２内に形成されたエミッタ収容室、５はエミッタ収容室４内に収容されたエミッタ、６はエミッタ収容室４上方においてエミッタ収容室４と連通するようケーシング２内に形成された熱交換器収容室、７は熱交換器収容室６内に収容された熱交換器、８は燃焼室３下方のケーシング２内に形成された光電変換素子収容室、９は光電変換素子収容室８内において水平面上に整列された複数の光電変換素子、１０は燃焼室３と光電変換素子収容室８間に拡がるフィルタ、１１は冷却水通路をそれぞれ示す。
【００１１】
このように本発明による実施例では、燃焼室３、エミッタ５、光電変換素子９が鉛直方向Ｋ−Ｋに整列されており、従ってエミッタ５の底面が燃焼室３に対面配置され、光電変換素子９がエミッタ５の底面に対面配置される。
【００１２】
燃焼室３周りのケーシング２内にはそれぞれ環状の予混合気室１２及び空気室１３が形成され、これら予混合気室１２及び空気室１３はそれぞれ水平方向に延びる複数の予混合気噴口１４及び空気噴口１５を介してそれぞれ燃焼室３に接続される。予混合気室１２及び空気室１３は空気通路１６を介して熱交換器７の空気出口に接続され、熱交換器７の空気入口は空気通路１７を介して光電変換素子収容室８に接続され、光電変換素子収容室８には空気源に接続されている空気ポート１８が接続される。一方、予混合気室１２には燃料源に接続されている燃料ポート１９が接続される。
【００１３】
従って、空気ポート１８から流入した空気は光電変換素子収容室８内を流通した後に、空気通路１７を介して熱交換器７内に流入し、次いで空気通路１６を介して予混合気室１２及び空気室１３内に流入する。予混合気室１２内に流入した空気は燃料ポート１９から供給された燃料と共に予混合気の形で予混合気噴口１４から燃焼室３内に流入し、燃焼せしめられる。一方、空気室１３内に流入した空気は空気噴口１５を介して燃焼室３内に流入する。なお、後述するようにエミッタ５内には燃焼ガス通路が形成されており、この燃焼ガス通路の出口が熱交換器７の燃焼ガス流入口に接続されている。従って、熱交換器７内では空気と燃焼ガスとの間で熱交換が行われる。
【００１４】
図３及び図４に示されるように、エミッタ５は平板状に拡がる複数例えば９枚のエミッタ素子５ａ−５ｉを具備し、これらエミッタ素子を鉛直方向Ｋ−Ｋに互いに間隙５ａｂ−５ｈｉを隔てつつ積層させた積層体から形成される。具体的には、最も下方の第１のエミッタ素子５ａの上方に間隙５ａｂを隔てて第２のエミッタ素子５ｂが積層され、第２のエミッタ素子５ｂの上方に間隙５ｂｃを隔てて第３のエミッタ素子５ｃが積層される。
【００１５】
また、第３のエミッタ素子５ｃの上方に間隙５ｃｄを隔てて第４のエミッタ素子５ｄが積層され、第４のエミッタ素子５ｄの上方に間隙５ｄｅを隔てて第５のエミッタ素子５ｅが積層され、第５のエミッタ素子５ｅの上方に間隙５ｅｆを隔てて第６のエミッタ素子５ｆが積層される。更に、第６のエミッタ素子５ｆの上方に間隙５ｆｇを隔てて第７のエミッタ素子５ｇが積層され、第７のエミッタ素子５ｇの上方に間隙５ｇｈを隔てて第８のエミッタ素子５ｈが積層され、第８のエミッタ素子５ｈの上方に間隙５ｈｉを隔てて第９のエミッタ素子５ｉが積層される。なお、本発明による実施例では、各エミッタ素子５ａ−５ｉはその周縁に環状凸部を有しており、これら環状凸部によってエミッタ素子５ａ−５ｉが鉛直方向に互いに離間される。
【００１６】
第１のエミッタ素子５ａは図３及び図４（Ａ）に示されるように、その中央に燃焼室３と間隙５ａｂとを互いに連通する開口２０を有し、その底面全体に凹凸面２１を有する。この凹凸面２１は例えば小さな四角錐状の凹部又は凸部を繰り返し形成することにより形成される。第２のエミッタ素子５ｂは図３及び図４（Ｂ）に示されるように、その中央即ち第１のエミッタ素子５ａの開口２０に対応する位置に凹凸面２２を有し、その周縁に間隙５ａｂと間隙５ｂｃとを互いに連通する複数の開口２３を有する。なお、第２のエミッタ素子５ｂの底面全面に凹凸面を形成するようにしてもよい。
【００１７】
第３のエミッタ素子５ｃは図３に示されるように、その中央に間隙５ｂｃと間隙５ｃｄとを互いに連通する開口２４を有し、しかしながら底面に凹凸面が形成されていない。第４のエミッタ素子５ｄは図３及び図４（Ｃ）に示されるように、その周縁の例えば左側に間隙５ｃｄと間隙５ｄｅとを互いに連通する複数の開口２５を有する。
【００１８】
図３及び図４（Ｄ）に示されるように、第５のエミッタ素子５ｅはその周縁の例えば右側に間隙５ｄｅと間隙５ｅｆとを互いに連通する開口２６を有し、第７のエミッタ素子５ｇはその周縁の例えば右側に間隙５ｆｇと間隙５ｇｈとを互いに連通する開口２６を有し、第９のエミッタ素子５ｉはその周縁の例えば右側に間隙５ｈｉと熱交換器７とを互いに連通する開口２６を有する。一方、図３及び図４（Ｅ）に示されるように、第６のエミッタ素子５ｆはその周縁の例えば左側に間隙５ｅｆと間隙５ｆｇとを互いに連通する開口２７を有し、第８のエミッタ素子５ｈはその周縁の例えば左側に間隙５ｇｈと間隙５ｈｉとを互いに連通する開口２７を有する。
【００１９】
各エミッタ素子５ａ−５ｉの表面は概ね水平方向に拡がっており、従って互いに隣接するエミッタ素子間の間隙５ａｂ−５ｈｉも概ね水平方向に拡がっている。また、最も下方の第１のエミッタ素子５ａは燃焼室３に対面して燃焼室３を画定すると共に、光電変換素子９にも対面している。
【００２０】
エミッタ素子５ａ−５ｉは例えばＥｒ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３のような希土類酸化物からなるいわゆる選択エミッタから形成される。即ち、エミッタ５からの輻射光は特定の波長範囲で選択的に強くなる。一方、光電変換素子９は入射した輻射エネルギを電気エネルギに変換するためのものであり、半導体素子から形成される。また、フィルタ１０は光電変換素子９の発電効率が高くなる波長の光を透過しそれ以外を反射するためのものであり、例えばガラスから形成される。
【００２１】
さて、熱光発電装置１を作動すべきときには燃焼室３内に予混合気が供給され燃焼せしめられる。このときの燃焼ガスは間隙５ａｂ−５ｈｉを順次介してエミッタ５内を通過し、熱交換器７を介してケーシング２外に排出される。その結果、エミッタ５の温度が高められ、エミッタ５から輻射光が発せられる。エミッタ５からの輻射光は光電変換素子９に入射され、光電変換素子９において電気エネルギに変換されて取り出される。
【００２２】
この場合、燃焼室３からエミッタ５への熱移動量は燃焼室３に対面するエミッタ表面の面積に比例し、エミッタ５から光電変換素子９に入射する輻射エネルギは光電変換素子９に対面するエミッタ表面の面積に比例する。本発明による実施例では、燃焼室３及び光電変換素子９に対面する第１及び第２のエミッタ素子５ａ，５ｂの底面にそれぞれ凹凸面２１，２２が形成されており、即ち燃焼室３及び光電変換素子９に対面するエミッタ表面の面積が大きくされている。従って、熱光発電装置１の発電効率を高めることができる。また、エミッタ５のうち最も温度が高くなっている第１のエミッタ素子５ａの底面に光電変換素子９が対面されており、これによっても熱光発電装置１の発電効率を高めることができる。
【００２３】
エミッタ５内の燃焼ガスの流れを図５を参照しながら説明すると、燃焼室３内の燃焼ガスは第１のエミッタ素子５ａの開口２０を介して間隙５ａｂ内に流入し、間隙５ａｂ内を第１及び第２のエミッタ素子５ａ，５ｂに沿いつつ概ね水平方向に外向きに進行する。次いで、燃焼ガスは開口２３を介して間隙５ｂｃ内に流入し、間隙５ｂｃ内を第２及び第３のエミッタ素子５ｂ，５ｃに沿いつつ概ね水平方向に今度は内向きに進行する。次いで、燃焼ガスは開口２４を介し間隙５ｃｄ内に流入し間隙５ｃｄ内を第３及び第４のエミッタ素子５ｃ，５ｄに沿いつつ概ね水平方向に外向きに進行し、次いで開口２５を介し間隙５ｄｅ内に流入する。
【００２４】
次いで、燃焼ガスは同様に、間隙５ｄｅ内をそのほぼ全幅に亘って概ね水平方向に進行し、次いで開口２６を介し間隙５ｅｆ内に流入し、間隙５ｅｆ内をそのほぼ全幅に亘って概ね水平方向に進行し、次いで開口２７を介し間隙５ｆｇ内に流入する。同様にして、間隙５ｆｇ，５ｇｈ，５ｈｉ内を順次流通する。従って、間隙５ａｂ−５ｈｉは燃焼ガス通路として作用する。
【００２５】
ところで、従来のように多孔質ブロックからエミッタを形成した場合には、燃焼ガスはエミッタの細孔内を概ね上方に向けて進行し、従ってエミッタと十分に熱交換することができない。エミッタの細孔径を調節すれば、燃焼ガスとエミッタとの接触時間を調節できるけれども、実際にエミッタの細孔径を正確に調節するのは困難である。また、エミッタの細孔径を一様にすることも困難であり、即ちエミッタ内には燃焼ガスが流れやすい箇所と流れにくい箇所とが存在する。このため、エミッタの温度が均一にならず、エミッタからの輻射エネルギも均一にならない。このような不均一な輻射エネルギは光電変換素子９の発電効果を低下させる。
【００２６】
これに対し本発明による実施例では、上述したように、燃焼ガスがエミッタ５内を水平方向に、即ち燃焼室３からエミッタ５に向かう鉛直軸線と交差する方向に進行する。その結果、燃焼ガスとエミッタ素子５ａ−５ｉとの接触時間を長くすることができ、従って燃焼ガスからエミッタ素子５ａ−５ｉへの熱移動量を大きくすることができる。即ち、エミッタ５の温度を高くすることができる。
【００２７】
この場合、燃焼ガスとエミッタ素子５ａ−５ｉとの接触時間は各間隙５ａｂ−５ｈｉ内における燃焼ガスの流路長さに依存する。本発明による実施例では、各エミッタ素子５ａ−５ｉ内に形成される開口２０，２３，２５，２６，２７の寸法及び位置を選択することにより燃焼ガスとエミッタ素子５ａ−５ｉとの接触時間を容易に調節することができる。
【００２８】
例えば、本発明による実施例では、間隙５ｄｅ内における燃焼ガスの流路長さは間隙５ａｂ，５ｂｃ，５ｃｄ内における燃焼ガスの流路長さよりも長くされており、間隙５ｆｇ，５ｇｈ，５ｈｉ内における燃焼ガスの流路長さは間隙５ｄｅ内における燃焼ガスの流路長さよりも長くされている。即ち、燃焼室３又は光電変換素子９からの距離が遠くなるにつれて間隙５ａｂ−５ｈｉ内における燃焼ガスの流路長さが長くなるようにされている。このようにすると、比較的低温になった燃焼ガスからエミッタ素子に移動する熱量を大きくすることができる。
【００２９】
また、本発明による実施例では、開口２０，２３，２５，２６，２７の寸法及び位置を選択することによって、間隙５ａｂ−５ｈｉ内における燃焼ガスの流れの方向や分布も容易に制御することができる。従って、特に第１のエミッタ要素５ａの温度を均一にすることができ、第１のエミッタ素子５ａからの輻射エネルギを均一にすることができる。
【００３０】
更に本発明による実施例では、エミッタ５が積層体から形成されているので、エミッタ５内を熱伝導でもって、エミッタ５の外部に向かう熱量がほとんどなくなる。しかも、光電変換素子９に対面する第１のエミッタ素子５ａが第２のエミッタ素子５ｂから第９のエミッタ素子５ｉまでと、間隙５ａｂ−５ｈｉ内の燃焼ガスにより形成される燃焼ガス層とによって覆われることになり、従って第１のエミッタ素子５ａの温度を高く維持することができる。
【００３１】
更に、空気噴口１５から流出する空気が概ねフィルタ１０の表面に沿って進行するのでフィルタ１０の温度上昇を抑制でき、従って光電変換素子９の温度上昇を抑制できる。また、空気が光電変換素子収容室８内を流通することによっても光電変換素子９の温度上昇を抑制できる。
【００３２】
エミッタ５から光電変換素子９へのエネルギ移動量はエミッタ５の温度が高いほど、光電変換素子９の温度が低いほど、大きくなるので、このようにエミッタ５の温度を高め、光電変換素子９の温度を低くすることにより、熱光発電装置１の発電効率を高めることができる。
【００３３】
ところで、互いに隣接する二つのエミッタ素子についてみると、下方のエミッタ素子の頂面から上方のエミッタ素子の底面に入射する輻射エネルギと、上方のエミッタ素子の底面から下方のエミッタ素子の頂面に入射する輻射エネルギとの差が小さくなれば、エミッタ５外への熱の逃げが少なくなる。ここで、それぞれの輻射エネルギが発光面積に比例することを考えると、上方のエミッタ素子の底面の表面積を、下方のエミッタ素子の頂面の表面積よりも大きくすれば、エミッタ５外部への熱移動が抑制されるということになる。従って、例えば第２から第９のエミッタ素子５ｂ−５ｉの底面にそれぞれ凹凸面を設けるようにしてもよい。
【００３４】
図６は別の実施例を示している。
【００３５】
熱光発電装置１が作動されてから、光電変換素子９から電気エネルギが取り出されるまでに要する時間はできるだけ短いのが好ましく、このためには光電変換素子９に対面する第１のエミッタ素子５ａの温度が速やかに上昇するようにすればよい。そこで図６に示される実施例では、第１のエミッタ素子５ａの熱容量を他のエミッタ素子５ｂ−５ｉよりも小さくしている。
【００３６】
具体的に説明すると、図６（Ａ）に示される例では、第１のエミッタ素子５ａに上向きの凹部３０が形成され、それにより第１のエミッタ素子５ａが図３に示される例よりも薄くされている。
【００３７】
一方、図６（Ｂ）に示される例では、第１のエミッタ素子５ａが多数の開口を備えたケーシング３１内に収容された薄状エミッタ素子３２から形成される。この薄状エミッタ素子３２は例えば薄状の綿に希土類酸化物を含浸させ次いで焼結させることにより形成できる。このようにすると、薄状エミッタ素子３２の熱容量が極めて小さくなり、その温度が速やかに上昇する。また、薄状エミッタ素子３２がケーシング３１内に収容されているので、薄状エミッタ素子３２の耐久性も高められる。ｓこの場合、ケーシング３１を図３に示される実施例と同様のエミッタ材料から形成すると輻射エネルギを増大させることができる。
【００３８】
これまで述べてきた実施例では、エミッタ素子は非多孔質の平板から形成されている。しかしながら、エミッタ素子を曲板又は筒体から形成して同心状に配置することもできる。また、エミッタ素子を多孔質材から形成することも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
エミッタからの熱漏れを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱光発電装置の断面図である。
【図２】図１の線ＩＩ−ＩＩに沿って見た断面図である。
【図３】エミッタの拡大断面図である。
【図４】エミッタ素子の底面図である。
【図５】エミッタ内の燃焼ガスの流れを示す概略図である。
【図６】別の実施例による第１のエミッタ素子の断面図である。
【符号の説明】
１…熱光発電装置
３…燃焼室
５…エミッタ
５ａ−５ｉ…エミッタ素子
５ａｂ−５ｈｉ…間隙
９…光電変換素子
２０，２３，２５，２６，２７…開口
【図１】
2004063484.tif 000003
【図２】
2004063484.tif 000004
【図３】
2004063484.tif 000005
【図４】
2004063484.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004063484.tif 000008