(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に少なくとも一対以上の吸排気路を接続し、その吸排気路内に、それぞれこれを交互に通過する排気ガス中の熱を蓄熱回収すると共に、蓄熱された熱により燃焼空気を予熱する蓄熱体を備え、この蓄熱体を熱電発電材料で形成すると共に、その蓄熱体の排気ガスと燃焼空気の出入口側の両端部に電極を設け、上記蓄熱体の温度差により生じた熱起電力を上記電極に接続した外部負荷回路で回収することを特徴とする蓄熱再生式発電システム。
【請求項２】
上記吸排気路内に設けられる一方の蓄熱体がｐ型の熱電発電材料からなると共に、他方の蓄熱体がｎ型の熱電発電材料からなり、かつこれらに電極を形成し、その電極を互いに電気的に接続してなることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱再生式発電システム。
【請求項３】
上記蓄熱体が外観円筒状又は矩形状に形成され、かつその内部が断面ハニカム形状又は断面格子状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄熱再生式発電システム。
【請求項４】
上記蓄熱体が、上記排ガスの流れ方向に沿って延びる板状のフィンを複数並列に配置してなることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱再生式発電システム。
【請求項５】
上記各フィンが交互にｐ型の熱電発電材料とｎ型の熱電発電材料で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の蓄熱再生式発電システム。
【請求項６】
上記蓄熱体が、その蓄熱体の温度分布に対応させて選択した複数種の熱電発電材料を排気ガスの上流側から下流側に亘って連続的に組み合わせてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の蓄熱再生式発電システム。
【請求項７】
燃焼室に少なくとも一対以上の吸排気路を接続し、その吸排気路内に、それぞれこれを交互に通過する排気ガス中の熱を蓄熱回収するための蓄熱体を備えると共に、この蓄熱体を熱電発電材料で形成し、
上記蓄熱体が、その蓄熱体の温度分布に対応させて選択した複数種の熱電発電材料を排気ガスの上流側から下流側に亘って連続的に組み合わせてなることを特徴とする蓄熱再生式発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼排ガス中の排熱を回収して燃焼消費効率の向上を図る蓄熱再生式燃焼炉を用いて発電を行うようにした蓄熱再生式発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、工業炉等の分野では、燃焼排ガスの排熱を回収して燃焼効率の向上を目的とした、いわゆる蓄熱再生式の燃焼炉が採用されている。
【０００３】
この蓄熱再生式燃焼炉は、図９（１）に示すように、燃焼室１に設けられた少なくとも一対以上の吸排気口２，２に、多孔質の蓄熱体３を備えた一対の蓄熱燃焼式バーナーＡ，Ｂをそれぞれ設置すると共に、これら各蓄熱燃焼式バーナーＡ，Ｂの各蓄熱室４，４にそれぞれ燃焼空気ライン５と排ガスライン６とを接続したものである。
【０００４】
そして、燃焼空気ライン５から送られてくる燃焼空気及び燃料噴射部７から供給される都市ガス等の燃料によっていずれか一方の蓄熱燃焼式バーナー（以下、バーナーと略す）Ａを燃焼（吸気）モードとして機能させると同時に、他方のバーナーＢを停止させて燃焼排ガスを排気する排気モードとして機能させることで燃焼室１内で発生した燃焼排ガス中の排熱をバーナーＢ側の蓄熱体３によって蓄熱回収した後、一定時間（例えば、約３０秒）経過後、図９（２）に示すように、各ライン５，６に設けられた各バルブｖ，ｖ…によって直ちにそのバーナーＡ，Ｂの機能を切り替え、吸気モードとなったバーナーＢ側の蓄熱体３に蓄められた熱によって燃焼室１側に供給される燃焼空気を予熱することで燃料消費効率の向上と省エネを図るようにしたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような蓄熱再生式燃料炉に用いられる蓄熱体３としては、一般に熱安定性や入手面に優れたコージェライト等のセラミックスから形成されており、その形状は断面ハニカム状となった外観円筒形に形成されている場合が多い。
【０００６】
また、この蓄熱体３の上流側端部と下流側端部間には、その蓄熱体３の大きさや長さ通過ガスの流速等によって異なってくるが、一般に約８００℃程度の大きな温度差が生じており、また、この蓄熱体３の各部位の温度降下率は、切り替え時間によっても異なってくるが、排気モードと吸気モードとでは大きく変わらないように制御されている。
【０００７】
例えば、図１０に示すように、燃焼排ガスの排気モード（蓄熱時）時において上流側端部（燃焼室１側）の温度が約１０００℃、その下流側端部の温度が約２００℃となるように調整された蓄熱体３を燃焼空気の吸気モードに切り替えた場合には、蓄熱体３の熱疲労を抑制するために燃焼空気の上流側端部が約１５０℃、下流側端部が９５０℃となった時点で切り替えが行われるようになっており、その全体の温度変動は僅か約５０℃以内に収まるように制御されている。
【０００８】
すなわち、この蓄熱体３は、吸気モード及び排気モードのいずれにおいても常にその両端間に大きな温度差が生じていると同時に、吸気モード及び排気モードのいずれのモードに拘わらず、その蓄熱体３の各部位の温度変動幅は極めて小さい範囲に収まるように運転されているのが一般的である。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、このような蓄熱再生式燃焼炉の蓄熱体３の温度特性に着目し、この温度差を発電に利用することでさらにエネルギー効率に優れた新規な蓄熱再生式発電システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、燃焼室に少なくとも一対以上の吸排気路を接続し、その吸排気路内に、それぞれこれを交互に通過する排気ガス中の熱を蓄熱回収すると共に、蓄熱された熱により燃焼空気を予熱する蓄熱体を備え、この蓄熱体を熱電発電材料で形成すると共に、その蓄熱体の排気ガスと燃焼空気の出入口側の両端部に電極を設け、上記蓄熱体の温度差により生じた熱起電力を上記電極に接続した外部負荷回路で回収することを特徴とする蓄熱再生式発電システムである。
【００１１】
本発明は、上記吸排気路内に設けられる一方の蓄熱体がｐ型の熱電発電材料からなると共に、他方の蓄熱体がｎ型の熱電発電材料からなり、かつこれらに電極を形成し、その電極を互いに電気的に接続してなることを特徴とする蓄熱再生式発電システムである。
【００１２】
本発明は、上記蓄熱体が外観円筒状又は矩形状に形成され、かつその内部が断面ハニカム形状又は断面格子状に形成されていることを特徴とする蓄熱再生式発電システムである。
【００１３】
本発明は、上記蓄熱体が、上記排ガスの流れ方向に沿って延びる板状のフィンを複数並列に配置してなることを特徴とする蓄熱再生式発電システムである。
【００１４】
本発明は、上記各フィンが交互にｐ型の熱電発電材料とｎ型の熱電発電材料で形成されていることを特徴とする蓄熱再生式発電システムである。
【００１５】
本発明は、上記蓄熱体が、その蓄熱体の温度分布に対応させて選択した複数種の熱電発電材料を排気ガスの上流側から下流側に亘って連続的に組み合わせてなることを特徴とする蓄熱再生式発電システムである。
【００１６】
本発明は、燃焼室に少なくとも一対以上の吸排気路を接続し、その吸排気路内に、それぞれこれを交互に通過する排気ガス中の熱を蓄熱回収するための蓄熱体を備えると共に、この蓄熱体を熱電発電材料で形成し、上記蓄熱体が、その蓄熱体の温度分布に対応させて選択した複数種の熱電発電材料を排気ガスの上流側から下流側に亘って連続的に組み合わせてなることを特徴とする蓄熱再生式発電システムである。
【００１７】
以下、その具体的実施の形態を添付図面を参照しながら詳述する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る蓄熱再生式発電システムの実施の一形態を示したものであり、図中１は周囲が耐火壁で区画された燃焼室、２，２はこの燃焼室１の壁面に設けられた吸排気口、８，８はこの吸排気口２，２に接続された吸排気路、Ａ，Ｂはこの吸排気路の接続端部に形成された蓄熱燃焼式バーナー（以下、バーナーＡ又はＢと称す）である。尚、図示を省略しているが、これら各バーナーＡ，Ｂには、上述した従来の蓄熱再生式燃焼炉と同様に燃焼空気を供給する燃焼空気ラインと燃焼室内の燃焼排ガスを排出する排ガスライン及びこれら各バーナーをそれぞれ排気モードと吸気モード（燃焼モード）とに交互に切り替える切替え用のバルブ等が付設されている。
【００１９】
図示するように、この各バーナーＡ，Ｂ内にはそれぞれ吸排気路８，８の軸方向に延びる多孔質の蓄熱体９がそれぞれ収容されており、従来の蓄熱体３と同様に排気モード時には、その吸排気路８内を通過する排気ガスの熱を回収蓄熱すると共に、吸気モード時には蓄熱された熱によって燃焼空気を予熱して燃料消費効率を高めるといった機能を有している。すなわち、この蓄熱体９は図２に示すように両端が開口した円筒状の蓄熱本体９ａの内部にその長さ方向に連続した断面ハニカム形状の通路９ｂが形成されたものであり、その内部に排気ガス又は燃焼空気を交互に通過させる際に、圧力損失を可能な限り低くしながらこの蓄熱体９を構成する材料と燃焼排ガス又は燃焼空気との接触面積を可能な限り増大させることで効率的な蓄熱と予熱を交互に繰り返すようになっている。
【００２０】
また、この蓄熱体９，９はその全体が、ｐ型又はｎ型に調整されたＳｉＧｅ等の熱電発電材料から形成されており、さらにこれら各蓄熱体９，９の両端部には、図２に示すように外部の電気負荷回路等と接続するためのリング状の電極１０，１０と電線１１，１１が設けられた構造となっている。そして、図１に示すように、一方の吸排気路８内に設けられた蓄熱体９はｎ型に調整され、他方の吸排気路８内に設けられた蓄熱体９はｐ型に調整されており、さらに、これら蓄熱体９，９の燃焼室１側端部の電極１０，１０は外部負荷回路１２側に接続され、他端部の電極１０，１０同士は電線１１によって相互に電気的に接続されている。
【００２１】
そのため、図１に示すように、この燃焼炉を運転することによって上述したように各蓄熱体９，９間に温度差が生じると、ゼーベック効果によって熱起電力が発生し、他方の電線１１，１１間に負荷を繋ぐと図中破線矢印に示すように電流が流れ熱電発電が行われることとなる。
【００２２】
従って、ここで得られた電力を例えば蓄電池に蓄え、バックアップ用の電源等として必要に応じて燃焼炉自身の制御や照明等に用いれば、外部からの給電が不要、あるいはその一部を省略することも可能となるため、優れた燃料消費効率を維持しつつ、より優れた省エネルギー化を達成することができる。
【００２３】
ここで、この蓄熱体９を構成する熱電発電材料としては、特に限定されるものではないが、上述したように蓄熱体９の燃焼室１側端部は、約１０００℃にまで達することがあることから、この温度条件でも優れた熱電発電効果を維持することができる材料、例えば、図３（１），（２）に示すように、ＳｉＧｅ，ＦｅＳｉ２，ＳｉＧｅ−ＧａＰ等といった高温下で安定した熱電発電効果を維持できる材料を用いることが好ましい。
【００２４】
また、上述したように、この蓄熱体９は、断面積や長さ等によっても異なってくるが、その両端部間には約８００℃程度の高い温度差が生じているため、その温度分布に応じて最適な熱電発電材料を選択してこれをその長さ方向に組み合わせた傾斜構造のものを用いればより優れた熱電発電を達成することができる。例えば、図４に示すように、最も高温となる燃焼室１側の部位を約１０００℃以上で最も優れた熱起電力を発生するＬａＴｅ１．４等の熱電発電材料で形成し、その下流側を約８００℃〜１０００℃付近で優れた熱起電力を発生するＳｉＧｅ等の熱電発電材料で形成し、さらにその下流側を約４００℃〜８００℃付近で優れた熱起電力を発生するＰｂＴｅ等の熱電発電材料で形成し、最も温度の低い他端部側を約４００℃以下で優れた熱起電力を発生するＢｉ２Ｔｅ３等の熱電発電材料で形成すれば、単に１種の熱電発電材料で形成したものに比べてより効率的に発電を行うことができる。
【００２５】
また、本発明の他の実施の形態として、蓄熱体９の内部はガスの圧力損失を招くことなく、かつガスとの接触面積を増大できる構造であれば上述したようにハニカム形状に限定されるものでなく、例えば、図５に示すように断面格子状をしたものであっても良く、また、その断面形状は図６に示すような矩形状やあるいは楕円形であっても良い。
【００２６】
そして、このような構造をした蓄熱体９の製造方法も特に限定されるものではないが、一例を挙げるとすると、例えば自動車等の触媒として用いられているハニカムセラミックス触媒等と同様に、粉末状の熱電発電材料を水と有機バインダー等で混練した後、コリュゲート法やエンボス法或いは押し出し法等によって断面ハニカム形状或いは断面格子形状の成形体を成形し、その後、その成形体をトンネル窯やシャットル窯によって焼成することによって容易に得ることができる。
【００２７】
また、図７に示すように、燃焼室１に接続される吸排気口２が多数あり、それぞれにバーナーが設置されている場合には、それぞれの蓄熱体に上述した熱電発電材料からなる蓄熱体９を用いれば、より多くの電力を得ることも可能となる。そして、この場合には、図７（１）に示すようにｎ型の蓄熱体９とｐ型の蓄熱体９とを交互に設置し、これら各蓄熱体９，９…を直列に繋げれば、多くの起電流が得られ、また、図７（２），（３）に示すように、ｎ型の蓄熱体９のみ、或いはｐ型の蓄熱体９のみを並列に繋ぎ合わせることでより高い起電圧を得ることが可能となるため、これらの各種パターンを、要求する特性に応じて適宜採用することで最適な発電を行うことも可能となる。
【００２８】
さらに、この蓄熱体９の他の形態として、図８に示すように、各吸排気路８，８内にそれぞれ板状に形成された熱発電材料からなるフィン１３をその排ガスの流れ方向に沿って複数並列に並べてなるものであっても良い。この場合、上述した各蓄熱体９と同様に、それぞれのフィン１３の両端部で大きな温度差が生じるため、その両端の電極間に負荷を繋ぐことで電流が流れ熱電発電が行われることは勿論、特に、本実施の形態にあっては上述したような多孔質の蓄熱体９に比べて、その成形加工や電極形成を極めて容易に行うことが可能となるため、製造に要する手間やコストを大幅に削減できるといった優れた特長を発揮することが可能となる。尚、図示するように、このフィン１３をそれぞれ交互にｐ型とｎ型の熱電発電材料から形成し、それぞれ隣り合うフィン１３の端部同士を交互に電気的に接続すれば、さらにより多くの起電流を得ることも可能となる。
【００２９】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、燃焼排ガスの熱回収を行う蓄熱体を熱電発電材料から構成したため、蓄熱回収と同時に熱電発電効果による発電を行うことができる。従って、高い燃料消費効率を発揮できることは勿論、燃焼炉の制御や照明等に不可欠な電力を得ることができるため、より優れた省エネルギー化を達成することができる等といった優れた効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る蓄熱再生式発電システムの実施の一形態を示す概略図である。
【図２】  本発明に係る蓄熱体の実施の一形態を示す部分破断斜視図である。
【図３】  （１）は、ｐ型熱電素子の温度に対する性能指数を示したグラフ図である。
（２）は、ｎ型熱電素子の温度に対する性能指数を示したグラフ図である。
【図４】  蓄熱体を温度分布に応じて傾斜構造とした一形態を示す概念図である。
【図５】  本発明に係る蓄熱体の他の実施の一形態を示す部分破断斜視図である。
【図６】  本発明に係る蓄熱体の他の実施の一形態を示す部分破断斜視図である。
【図７】  本発明に係る蓄熱再生式発電システムの他の実施の一形態を示す概略図である。
【図８】  本発明に係る蓄熱体の他の実施の一形態を示す概略図である。
【図９】  従来の蓄熱再生式燃焼炉の構成及びその作用を示した説明図である。
【図１０】  従来の蓄熱体の温度分布及び温度変化を示したグラフ図である。
【符号の説明】
１  燃焼室
２  吸排気口
８  吸排気路
９  蓄熱体
１０  電極
１１  電線
１３  フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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