JPH0448150Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、産業排熱（工業炉、焼却炉及びエン
ジン等の排ガスの保有熱、排蒸気、排温度）を有
効利用し直接発電の熱源とし電力として回収利用
する熱電発電装置に関するものである。

［従来の技術］ 第６図に示すものはＰ形、Ｎ形半導体１，２を
金属片３，４で交互に接続し、電気的に直列に熱
源に対しては並列になるように配置された熱電素
子集合体５である。この熱電素子集合体５を用
い、小型・コンパクトを目的とした従来の熱電発
電装置は第７図に示すように熱電素子集合体５を
低温流体の通る低温側ダクト６と高温側ダクト７
で挾むようにして積み重ねたものであり、熱変形
や熱応力の影響の少ない低温度差や小容量のもの
に主に適用される。

この場合熱電素子集合体５と高・低温側ダクト
７，６との接触面は接着剤（電気絶縁、熱良導
性）で接着されるか、グリース等を介し密に接触
するように考慮されている。締付けばね８は熱電
素子集合体５と、高・低温側ダクト７，６との接
触を良くするための押付用のものであり、接着剤
を使用しない場合または接着部の剥離の恐れのあ
る場合に必要となる。

〔考案が解決しようとする問題点〕

しかし、上記した構成では運転時に、積み重ね
方向及び積み重ね直角方向に、高・低温側ダクト
７，６自身、熱電素子集合体５自身及び高・低温
側ダクト７，６と熱電素子集合体５の相互間に温
度差を生じると共に高・低温側ダクト７，６と熱
電素子集合体５は材質も違うので自由熱膨脹差を
生ずるが構造上この熱膨脹をあまり吸収すること
ができない。

したがつて、使用中に変形や熱疲労によるクラ
ツクが各部に発生したり、熱電素子集合体５と
高・低温側ダクト７，６との間に隙間が発生して
伝熱性能の低下とその不安定による発電能力の低
下や不安定ももたらしている。

本考案は上記の事情に鑑みなされたものであつ
て、小型・コンパクトさを維持しつつ熱応力の発
生を防止し熱電素子等の破損を防ぐと共に伝熱抵
抗の増加と変動を防ぎ発電効率の向上と発電電圧
の安定化を図ることが可能な熱電発電装置を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段及び作用） 本考案は、外部流体Ａが流れる外部流体用ダク
ト１０，１０′内に、内部流体Ｂが流れる通路用
ダクト１４，４６を内装し、この通路用ダクト１
４，４６の外面に、発電電力取り出し用の電気端
子２８を有する熱電素子集合体５を、その内側面
が密に接合するようにして固着し、外側面を外部
流体内に露出させた構成となつており、外部流体
Ａと内部流体Ｂの温度差が熱電素子集合体５に作
用し、このときの起電力にて発電させるようにな
つている。このとき外部流体Ａは熱電素子集合体
５の一側面に直接接触される。

〔実施例〕

以下、本考案の実施例を第１図から第５図を参
照して説明する。

第１図、第２図において、１０は外部流体用ダ
クト、１１はこの外部流体用ダクト１０内に、こ
の外部流体用ダクト１０の流体の流れ方向と直角
方向に向けて内装される内部流体用ダクトであ
る。

外部流体用ダクト１０は内壁部材１２と、上記
内部流体用ダクト１１の両端部を支持する側壁部
材１７と、これらの壁部材１２、１７の外面をカ
バーする保温材１３とからなつている。

また内部流体用ダクト１１は外部流体用ダクト
１０の両側壁１７，１７に設けられた嵌挿孔部１
８に嵌合支持される両側の保持部分１６，１６
と、偏平管状に形成され、かつ外部流体用ダクト
１０の流体の流れ方向と平行に配置される通路用
ダクト１４とからなり、この通路用ダクト１４内
に多数枚のフイン１５が設けてある。１９は上記
保持部分１６，１６と嵌挿孔部１８との間の気密
を保持するためのＯリングである。なおこの部分
は気密溶接構造でも良い。

上記内部流体用ダクト１１の通路用ダクト１４
の外面には接着層２５を介して熱電素子集合体５
が接着されている。この熱電素子集合体５は従来
のものと同じ構成で、熱電素子であるＰ形半導体
１とＮ形半導体２を金属片３，４で交互に接続し
た構成となつており、その一方の金属片３側が上
記したように接着層２５を介して通路用ダクト１
４の外面に接着されている。

そして上記熱電素子集合体５の周囲は断熱用モ
ールド２６にて、また素子間は素子間モールド２
７にてそれぞれモールドしてあり、かつ一方の金
属片４は外部流体用ダクト１０側に露出されてい
る。２８は熱電素子５の両金属片３，４間での起
電力を取り出すための電気端子である。

上記各モールド２６，２７は熱電素子部以外及
び熱電素子間を断熱して熱電素子内の熱の移動が
効率よく行なわれるもので、断熱性樹脂が用いら
れるが、その他に例えば邪魔板や囲い等によつて
もよい。

前記構成において、外部流体用ダクト１０内
に、例えば高温流体Ａを、また内部流体用ダクト
１１の通路用ダクト１４内に低温流体Ｂを流す
と、このときの熱電素子集合体５の各熱電素子に
作用する温度差により起電力が生じ、これを電気
端子２８より取り出すことにより電力が得られ
る。

このとき、前記熱電素子集合体５の各熱電素子
１，２を接続する一方の金属片４は外部流体用ダ
クト１０内に露出しているので、この外部流体用
ダクト１０内を流れる流体側の熱が効率よく各熱
電素子に作用される。

また前記熱電素子集合体５の各熱電素子１，２
を接続する両金属片３，４のうち一方の金属片３
が内部流体用ダクト１１の通路用ダクト１４に固
着されているが、他方の金属片４はフリー状態に
なつているので、各熱電素子が小さいこととあい
まつて、この各熱電素子を含めた各構成部の変形
をほとんど自由とすることができる。このため熱
応力はほとんど発生せず熱電素子集合体５と内部
流体用ダクト１１の通路用ダクト１４との接着は
剥離せず安定に保たれ発電効率の向上と出力の安
定化が図れる。またこのようにすると内部流体用
ダクト１１の通路用ダクト１４の表面はほとんど
熱電素子集合体５で覆われるので熱電発電装置は
小形・コンパクトを維持する。

第３図に示すものは本考案の他の実施例であ
り、これは内・外部流体用ダクト１１，１０を同
心的に配して内部流体用ダクト１１の円筒状の通
路用ダクト１４の外周に円筒状の熱電素子集合体
５を設けたものである。

上記各実施例における熱電素子集合体５におい
て内・外部流体Ｂ、Ａの温度差が大きいと発電量
は増大し都合は良いがこの温度差が非常に大きい
と金属片３，４の熱膨脹差により熱電素子内部及
び熱電素子集合体５と内部流体用ダクト１１の通
路用ダクト１４との接着部に大きな熱応力を発生
し、熱電素子集合体５と通路用ダクト１４との接
着部の剥離を引きおこす恐れがあり、また熱電素
子集合体４の破損を生じる恐れがある。

このような場合には第４図のごとく、高温側の
流体に接触する金属片４′に熱膨脹吸収用の折曲
げ緩衝部３０を設けてある。すなわち金属片４′
のＰ、Ｎ形半導体１，２間の中央部に金属片長手
方向と直角方向に折曲げ緩衝部３０が設けてあ
る。

したがつて、両金属片３，４の温度差が非常に
異なる場合に折曲げ緩衝部３０により熱膨脹差を
吸収し熱電素子集合体５の破損を防ぎ熱電素子集
合体５が内部流体用ダクト１１の通路用ダクト１
４から剥離するのを防ぐことができる。

またこの折曲げ緩衝部３０は金属片４′の伝熱
面積を増大するフインとしての効率も有し、この
大きさが大きいほどフイン効果も大きい。

また上記高温側の流体には、工業炉、焼却炉及
びエンジン等の排ガスが用いられるが、この排ガ
スは一般に硫酸やスス、粉塵を多量含む。この排
ガスは高温流体として用いると硫酸蒸気は熱電素
子と素子間モールド２７との隙間から進入し内部
で凝縮し硫酸となり高価な熱電素子を腐食し使用
不能にしたり、またスス、粉塵は熱電素子表面等
に付着し外部流体よりの伝熱を大幅に低下させ発
電能力を大幅に低下させるとともに隣接する熱電
素子を電気的に短絡し外部への電気出力の取り出
し量を大幅に減じたりする。このスス、粉塵等の
取り除きは頻繁に行なわねばならないが熱電素子
が小さいことやこわれやすい等のため非常に労力
を要するものである。

このような不具合を解決するために、第５図に
示すように内部流体用ダクト１１を収納して密閉
された外部流体用ダクト１０′の下方に、水槽３
２を設け、この水槽３２内に蒸発管３３を通し、
蒸発管３３内に排ガスを流し、この熱で純水を蒸
発し、蒸気を高温流体Ａとして作動させるように
してもよい。

すなわち蒸気は熱電素子表面の金属片４の面で
凝縮し、放熱して水滴となつて水槽内に落下しサ
イクルを終了する。その後このサイクルを繰り返
す。

このために熱電素子集合体５は常に硫酸、スス
等に対し清浄に保たれる。

また、前記外部流体用ダクト１０′及び水槽３
２には保温層３４が設けてあるために外部への放
熱はほとんどなく、また熱電素子集合体５以外は
断熱材２６で覆われているのでほとんどの熱は熱
電素子集合体５を通り低温流体Ｂに流れる。この
ため蒸発熱は熱電素子集合体５で有効に利用され
る。

また、排ガスから熱電素子集合体５への伝達に
水の沸騰、凝縮の両伝熱を介するが、これはヒー
トパイプと同一の原理であり、両伝熱ともに流体
の熱伝達に比べ極度にその伝熱性能は大きいの
で、純水を介した場合の損失となる温度降下は無
視するほど小さい。なおこの水に代えて沸騰、凝
縮する他の熱媒体を使用しても良い例えば酸化ジ
フエニル・ジフニエル混合物のような高沸点媒体
を使用すれば高温で使用の場合においても密閉さ
れた外部流体用ダクト１０′内の圧力を低く抑え
ることができて安全性を保つことが可能である。

また、第７図に示す従来の熱電発電装置におい
て外部流体に水蒸気を用いた場合、この水蒸気は
温度が高いので高温側通路７とこれに接する熱電
素子集合体５の部分は運転停止時に非常に大きな
温度変化を受けることになる。

この温度変化に伴う各部の自由熱膨脹を従来の
熱電発電装置の構成ではほとんど吸収することが
できない、 したがつて、長期間使用すると熱電素子集合体
５が熱応力のため破損したり、熱電素子集合体５
と高温側通路７との間に熱変形による隙間が発生
して伝熱性能の低下や不安定が発生していた。

このような不具合を解決するために、第８図に
示すように低温流体が通る内部流体用ダクト１１
に熱電素子集合体５を取付け、これらを蒸気室４
０内に収容した構成にしてある。

すなわち、第８図において、４０は外部流体用
ダクトとして蒸気室であり、この蒸気室４０は胴
体４１の両側をカバー４２で閉塞して成り、胴体
４１及びカバー４２には保温材４３により被覆さ
れている。そして蒸気室４０には外部流体（高
温）である水蒸気の入口４４と凝縮水の出口４５
とが設けてある。

また内部流体用ダクト１１は通路用ダクト４６
を備えており、通路用ダクト４６内には多数枚の
フイン４７が設けてある。この通路用ダクト４６
の保持部分４８は前記カバー４２の嵌挿孔部４
８′にＯリングシール４９を介して取付けてある。

熱電素子集合体５は内部流体用ダクト１１の通
路用ダクト４６の偏平管部の両外面部に接着層５
０により取付けてある。

また内部流体用ダクト１１の通路用ダクト４６
の表面で熱電素子集合体５以外の部分及び熱電素
子間はシリコン樹脂等の断熱材５１で覆われてい
る。

したがつて、蒸気室４０の入口４４から行つた
ほとんどの水蒸気が熱電素子集合体５の表面電極
である金属片４で凝縮し、凝縮熱のほとんどが熱
電素子１，２を通り冷却水に流れて効率よく発電
が行なわれることになる。

そして、水蒸気は電気的絶縁部であり化学的に
安定なので熱電素子集合体５と直接接触伝熱が行
なえて従来の高温側通路７が不用になる。

このために蒸気用熱交換のための伝熱抵抗がな
くなるのでその温度分だけ熱電素子集合体５の温
度差が大となり発電効率が大になる。

高温側通路７が不明になるので、熱電素子集合
体５に対する高温側通路７の温度変化により生じ
る拘束がなくなるので熱電素子集合体５の熱応力
による破損や熱電素子集合体５への伝熱の不良が
なくなり安定した効率の良い発電ができる。

また断熱材５１により水蒸気の熱はほとんど熱
電素子１，２を通るので効率の良い発電が行なえ
るし、更に蒸気室４０には熱電素子集合体５の蒸
気凝縮面が水蒸気の流れ方向に対してほぼ垂直に
なるように配置してあり、このために凝縮水は速
やかに降下し新たな蒸気が凝縮し、伝熱が促進さ
れ発電の効率が上がる。

また第９図に示すものは上記した蒸気一水形の
熱電発電装置の実施例であり、蒸気室４０の上部
に入口４４をまた下部に出口４５を設け、蒸気室
４０の内部には熱電素子集合体５を両面に取付け
た内部流体用ダクト１１を６本配置してあり、蒸
気室４０の上部には発電電力を取り出すための電
気端子５２が設けてある。

〔考案の効果〕

本考案は上記のようになるから、例えば外部流
体用ダクト１０，１０′に高温の流体を流し、内
部流体通路１１の通路用ダクト１４，４６に低温
の流体を流すことにより、熱電素子集合体５に作
用する温度差により発電されるが、このときにお
いて、熱電素子集合体５の外側面は外部流体用ダ
クト１０，１０′側に露出されていることにより、
この熱電素子集合体５の外側部は何ら拘束される
ことがなくなつてこの部分は熱変形に対して自由
となり、これにより温度差による熱応力の発生に
よる熱電素子１，２等の破損を防止することがで
きると共に、この破損による伝熱性能の低下とそ
の不安定による発電能力の低下や不安定を防止す
ることができる。

また本発明によれば、熱電素子集合体５の外側
面が外部流体ダクト１０側に露出されているた
め、熱電素子集合体５の外側面は外部流体Ａに直
接さらされることになり、内・外の流体の温度差
を効率よく取り入れることができて発電効率を向
上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案一実施例の一部断面した平面
図、第２図は同縦断面図、第３図は本考案の他の
実施例の構成説明図、第４図は熱電素子集合体の
他の実施態様の構成説明図、第５図は本考案の他
の実施例の構成説明図、第６図は熱電素子集合体
の斜視図、第７図は従来の熱電発電装置の構成説
明図、第８図は本考案の他の実施例の縦断面図、
第９図は同斜視図である。 １はＰ形半導体、２はＮ形半導体、３，４，
４′は金属片、５は熱電素子集合体、１０，１
０′は外部流体用ダクト、１１は内部流体用ダク
ト、１４，４６は通路用ダクト、１５，４７はフ
イン、２６，２７はモールド、３０は緩衝部、３
２は水槽、３３は蒸発管、４０は蒸気室。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 外部流体Ａが流れる外部流体用ダクト１０，１
   ０′内に、内部流体Ｂが流れる通路用ダクト１４，
   ４６を内装し、この通路用ダクト１４，４６の外
   面に、発電電力取り出し用の電気端子２８を有す
   る熱電素子集合体５を、その内側面が密に接合す
   るようにして固着し、外側面を外部流体内に露出
   させたことを特徴とする熱電発電装置。