特許 7305313 熱電発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-06-30

(45)【発行日】2023-07-10

(54)【発明の名称】熱電発電装置

(51)【国際特許分類】

   H10N 10/13 20230101AFI20230703BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20230703BHJP

【ＦＩ】

H10N10/13

H02N11/00 A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018119111

(22)【出願日】2018-06-22

(65)【公開番号】P2019220654

(43)【公開日】2019-12-26

【審査請求日】2021-06-16

(73)【特許権者】

【識別番号】591036457

【氏名又は名称】三菱電機エンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100147566

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100161171

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 潤一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100188514

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 隆裕

(74)【代理人】

【氏名又は名称】別所 公博

(74)【代理人】

【識別番号】100206782

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 彰洋

(72)【発明者】

【氏名】日永田 一大

【審査官】田邊 顕人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－２１３４０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０－５０５３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２５４３８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１２９４４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１０７６８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０３１９１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０６４３６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１６４７９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０１０９９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ １０／１３

Ｈ０２Ｎ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸方向が鉛直方向と平行な配管の外周に固定される熱電変換モジュールと、
前記熱電変換モジュールの前記配管と対向する面に固定される受熱板と、
屈曲形状をなし、前記屈曲形状の一端が蒸発部、他端が凝縮部を形成し、前記軸方向において前記凝縮部が前記蒸発部よりも高い位置となるよう前記受熱板に固定される複数のヒートパイプと、
前記ヒートパイプの前記蒸発部を含む部分を前記受熱板に固定する固定部材と
を備える熱電発電装置。

【請求項2】

前記複数のヒートパイプは、Ｌ字に屈曲され、前記Ｌ字の１辺が、前記蒸発部として前記配管に固定され、前記Ｌ字の他辺が前記凝縮部として前記蒸発部よりも高い位置に固定される
請求項１に記載の熱電発電装置。

【請求項3】

前記複数のヒートパイプは、クランク状に屈曲され、前記クランク状に屈曲された前記複数のヒートパイプの第１辺が前記蒸発部として前記配管に固定され、前記第１辺に平行に延在する第２辺が前記凝縮部として前記蒸発部よりも高い位置に固定され、前記第１辺と前記第２辺とを繋ぐ第３辺が前記凝縮部を前記配管から離隔する方向に延在される
請求項１に記載の熱電発電装置。

【請求項4】

前記ヒートパイプを構成要素として備える冷却部の熱抵抗は、前記熱電変換モジュールの熱抵抗の１０％以上５０％以下である
請求項１から３のいずれか１項に記載の熱電発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、温度差に応じて発電を行う熱電発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から熱電発電装置に用いられる熱電変換モジュールは、熱源からの熱量が供給される高温側の面と、その面に対向する低温側の面との間の温度差に応じて発電を行う。そのような熱電変換モジュールを用いた場合、温度差をより大きくするには、言い換えれば発電量をより大きくするには、低温側の面の温度をより低くする必要がある。そのため、低温側に冷却装置を取り付けた熱電発電ユニットを構成することが一般的である。

【0003】

低温側の面の温度をより低くするために、最近では、ヒートパイプを用いた自然空冷方式の冷却装置が熱電発電ユニットに採用されている（例えば、特許文献１参照）。ヒートパイプは、熱伝導性が優れていることから、そのヒートパイプを用いた冷却装置を採用した場合、低温側の面の熱量を効率的に放熱することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第３７７６０６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

自然空冷方式の冷却装置の冷却性能は、大きさに強く依存する。これは、空気に触れる面積を大きくするほど、冷却性能が向上するためである。そのため、より大きい冷却装置を採用することにより、高温側の面と低温側の面との間の温度差を、より大きくすることができる。

【0006】

多くの場合、熱電発電ユニットは、複数、用いられる。熱源として利用できるスペースは有限なので、冷却装置が単に大きくなると設置できる熱電発電ユニットの数は少なくなる。そのため、個々の熱電発電ユニットの発電量を望ましいものにできたとしても、設置できる熱電発電ユニットの数を十分に確保できないと、熱電発電装置全体で望ましい発電量が得られるとは限らない。また、冷却装置の製造コストは、大きく、重くなるほど高くなるのが普通である。これらのことから、冷却装置の採用にあたっては、熱電発電装置全体で得られる総発電量、及び製造コストを考慮することが重要である。

【0007】

本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、その目的は、製造コストを抑えつつ、より大きい総発電量を得ることが可能な熱電発電装置を提供することに在る。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る熱電発電装置は、軸方向が鉛直方向と平行な配管の外周に固定される熱電変換モジュールと、熱電変換モジュールの配管と対向する面に固定される受熱板と、屈曲形状をなし、屈曲形状の一端が蒸発部、他端が凝縮部を形成し、軸方向において凝縮部が蒸発部よりも高い位置となるよう受熱板に固定される複数のヒートパイプと、ヒートパイプの蒸発部を含む部分を受熱板に固定する固定部材を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、製造コストを抑えつつ、より大きい総発電量を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の設置環境例を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の設置例を示す斜視図である。

【図3】本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置が備える熱電発電ユニットの配置例を示す図である。

【図4】本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の他の設置例を示す図である。

【図5】本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置が備える熱電発電ユニットの斜視図である。

【図6】本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置が備える発電部の構成例を示す分解図である。

【図7】本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置に用いられる冷却部の例を示す斜視図である。

【図8】本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置に用いられる冷却部の他の例を示す斜視図である。

【図9】冷却性能比が０．３の場合の冷却部の例を示す図である。

【図10】冷却性能比が０．１の場合の冷却部の例を示す図である。

【図11】冷却性能比による熱電変換モジュールの発電量の変化、及び重量比の変化の各例を説明する図である。

【図12】冷却性能比による熱電発電装置の総発電量の変化、及び設置可能な熱電発電ユニットの数の変化の各例を説明する図である。

【図13】冷却性能比による熱電発電装置での重量比の変化、及び一定の発電量を得るのに必要な熱電発電ユニットの数の変化の各例を説明する図である。

【図14】本発明の実施の形態２に係る熱電発電装置の設置例を示す斜視図である。

【図15】本発明の実施の形態２に係る熱電発電装置が備える熱電発電ユニットの配置例を示す図である。

【図16】本発明の実施の形態２に係る熱電発電装置に用いられる冷却部の例を示す斜視図である。

【図17】本発明の実施の形態２に係る熱電発電装置に用いられる冷却部の他の例を示す斜視図である。

【図18】本発明の実施の形態３に係る熱電発電装置の設置例を示す斜視図である。

【図19】本発明の実施の形態３に係る熱電発電装置が備える熱電発電ユニットの配置例を示す図である。

【図20】本発明の実施の形態３に係る熱電発電装置に用いられる冷却部の例を示す斜視図である。

【図21】本発明の実施の形態３に係る熱電発電装置に用いられる冷却部の他の例を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明に係る熱電発電装置の各実施の形態を、図を参照して説明する。

【0012】

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の設置環境例を示す図である。本実施の形態１に係る熱電発電装置は、廃熱利用のために、工場に設置されている。

【0013】

工場設備１は、例えば燃料、ゴミ等の燃焼により、高温ガス、つまり熱電発電を可能にさせる熱源流体を発生させる。この高温ガスは、配管２、及び煙突３を介して大気に排出される。本実施の形態１に係る熱電発電装置は、配管２に取り付けられ、大気に排出される高温ガスを熱源として発電を行うことを想定している。

【0014】

なお、本実施の形態１に係る熱電発電装置は、工場での利用に限定されない。本実施の形態１に係る熱電発電装置は、熱電発電を行ううえでの熱源が存在する場所であれば、幅広く利用することができる。

【0015】

図２は、本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の設置例を示す斜視図であり、図３は、本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置が備える熱電発電ユニットの配置例を示す図である。

【0016】

図２、及び図３に示すように、本実施の形態１に係る熱電発電装置１０は、配管２の外側に取り付けられている。その熱電発電装置１０は、複数の熱電発電ユニット１１を備え、その複数の熱電発電ユニット１１は、配管２の外側に、周方向上に並べて取り付けられている。図３は、配管２の軸方向上の視点で各熱電発電ユニット１１の配置例を示している。

【0017】

熱電発電装置１０が取り付けられるのは、配管２が水平、或いはほぼ水平となっている部分、言い換えれば、配管２の軸方向が図２に矢印で示す鉛直方向と垂直、或いはほぼ垂直となっている部分である。本実施の形態１では、図２、及び図３に示すように、熱電発電装置１０を構成する熱電発電ユニット１１は、配管２の上側半分ほどの範囲内に設置している。各熱電発電ユニット１１は、取付部材１５により、その取付部材１５と配管２との間に挟持されて固定される。

【0018】

取付部材１５では、それぞれ１つの熱電発電ユニット１１が取り付け可能な接続板１５ａが蝶番の要領で連結されている。それにより、各熱電発電ユニット１１は、取付部材１５により、相対的な位置関係が維持される。その位置関係が維持される状態とした後、例えば取付部材１５の両端に位置する接続板１５ａをベルト状の部材により連結すれば、各熱電発電ユニット１１を配管２に固定させることができる。各熱電発電ユニット１１の配管２への固定は、別のベルト状の部材を用いて、取付部材１５が備える各接続板１５ａを配管２に向けることにより行っても良い。各熱電発電ユニット１１の配管２への取付方法、つまり固定方法は、特に限定されない。これは、各熱電発電ユニット１１を断面形状が円形ではない配管２に取り付ける場合、及び配管２以外の対象物に取り付ける場合であっても同様である。

【0019】

配管２は、図３に示すように、径方向に沿った断面が円形のパイプである。しかし、配管２の断面形状は、円形に限定されない。例えば図４に示すように、配管２の断面形状は矩形であっても良い。

【0020】

図５は、本発明の実施の形態１に係る熱電発電装置が備える熱電発電ユニットの斜視図である。この熱電発電ユニット１１は、図５に示すように、発電部５１と、冷却部５２とに大別される。発電部５１には、熱電発電により得られた電力を外部に出力するための電線５３が設けられている。

【0021】

図６は、発電部の構成例を示す分解図である。この発電部５１は、配管２側から、熱伝達媒体６１、熱電変換モジュール６２、及び熱伝達媒体６３が重ねられた構造体である。熱伝達媒体６１は、配管２に直接、接触させる媒体であり、熱伝達媒体６３は、冷却部５２と直接、接触させる媒体である。熱電変換モジュール６２は、この２つの熱伝達媒体６１、６３間に挟まれている。それにより、熱電変換モジュール６２では、熱伝達媒体６１と接する面が高温側の面、つまり配管２からの熱量が流入する第１の面となり、熱伝達媒体６３と接する面、つまり第１の面と対向する面が低温側の第２の面となる。熱電変換モジュール６２は、それら両面の温度差に応じて発電を行い、その発電により得られた電力を２本の電線５３により外部に供給する。熱電変換モジュール６２は、周知の技術を用いて作製されるもので良いことから、詳細な説明は省略する。

【0022】

図７は、冷却部の例を示す斜視図である。この冷却部５２は、本実施の形態１に係る冷却装置に相当する部品であり、図７に示すように、受熱板７１、ヒートパイプ７２、放熱板７３、支持部材７４、及び固定部材７５を備えている。

【0023】

受熱板７１は、熱伝達媒体６３と接触させる媒体であり、熱電変換モジュール６２の低温側の面である第２の面からの熱量が熱伝達媒体６３を介して伝達される。そのために、受熱板７１は、熱伝達媒体６３とほぼ同じ形状で同じ大きさとなっている。ヒートパイプ７２は、受熱板７１と固定部材７５との間に挟持されたように固定される部品である。ヒートパイプ７２は、図７に示すように、固定部材７５の長手方向に沿って、受熱板７１に取り付けられている。ヒートパイプ７２の取付方法としては、例えばろう接を挙げることができる。その取付方法は、特に限定されるものではないが、受熱板７１からヒートパイプ７２への熱伝達が効率的に行える方法を採用するのが好ましい。

【0024】

このろう接には、使用する溶加材の種類によって、ろう付けとはんだ付けに区分されている。溶加材の違いにより、ろう付けは、はんだ付けより高温で行われる。ろう付けは、はんだ付けと比較し、耐熱性、及び強度ともに非常に優れている。

【0025】

固定部材７５には、受熱板７１の反対側に突出する４つの突出部７５ａが設けられている。取付部材１５を構成する各接続板１５ａには、この突出部７５ａを挿入するための穴が設けられている。それにより、固定部材７５は、図２に示すように、各熱電発電ユニット１１を連結させつつ、各熱電発電ユニット１１を取り付けるべき場所に固定するために用いられる。接続板１５ａに接触させるベルト状の部材により各熱電発電ユニット１１を配管２に取り付ける場合、突出部７５ａは、そのベルト状の部材が配管２の軸方向上にズレるのを防止するように機能する。固定部材７５の受熱板７１への取付方法は、特に限定されるものではないが、例えばろう接を挙げることができる。

【0026】

ヒートパイプ７２は、図７に示すように、受熱板７１の長手方向全体にわたる中央部分が直線状である。その直線状の中央部分は、支持部材７４により周囲が覆われた状態となっている。それにより、ヒートパイプ７２は、支持部材７４を介して、受熱板７１からの熱量が伝達される。ヒートパイプ７２の取り付けにこのような構造を採用したのは、周囲を覆う支持部材７４によりヒートパイプ７２をより安定的に固定すると共に、そのヒートパイプ７２に熱量を伝達する面積をより大きくするためである。その面積をより大きくすることにより、受熱板７１からヒートパイプ７２への熱量の伝達はより効率的に行わせることができる。

【0027】

なお、支持部材７４は、ヒートパイプ７２を直接、受熱板７１に取り付けることにより、不要としても良い。また、ヒートパイプ７２の固定に、固定部材７５を用いても良い。これは、固定部材７５を介した受熱板７１からヒートパイプ７２への熱伝達が期待できるからである。何れの変形例でも、より効率的な熱伝達を実現するために、ろう接を採用するか、或いは併用するのが好ましい。

【0028】

そのヒートパイプ７２は、全体的にはＵ字型の形状であり、受熱板７１と支持部材７４を介して接する部分から両端部にいくにつれて、受熱板７１と発電部５１とを重ねる方向上の距離が長くなっている。放熱板７３は、熱量の放熱のための部材であり、ヒートパイプ７２の両端側に複数、取り付けられている。放熱板７３が取り付けられているのは、受熱板７１と発電部５１とを重ねる方向と平行か、或いはほぼ平行となっている部分である。以降、この重ねる方向は「高さ方向」と表記する。この高さ方向は、配管２の径方向と基本的に一致する。

【0029】

ヒートパイプ７２の直線状の受熱板７１と接する部分は、受熱板７１熱量が伝達されることから、内部の作動液が蒸発する蒸発部である。放熱板７３が取り付けられる部分は、気化した作動液が液化する凝縮部である。

【0030】

なお、ヒートパイプ７２の形状は、Ｕ字型に限定されない。ヒートパイプ７２に、直線状の中央部分から両端にいくにつれて高さ方向が長くなる形状を採用しているのは、その方向が長くなるほど、言い換えれば配管２から離すほど、より温度の低い空気を放熱板７３に接触させられると期待できるからである。そのような空気が接触すると期待できる形状であれば良いことから、ヒートパイプ７２の全体的な形状は、円弧状、Ｖ字型、等であっても良い。

【0031】

また、本実施の形態１では、ヒートパイプ７２を一本としているが、ヒートパイプ７２は２本以上としても良い。例えば図８に示すように、２本のヒートパイプ７２（１）、７２（２）を受熱板７１の短手方向上に並べ、その受熱板７１に取り付けても良い。図８では、ヒートパイプ７２を２本としたことから、ヒートパイプ７２の受熱板７１からの高さは図７に示すヒートパイプ７２よりも低くなっている。

【0032】

熱電発電ユニット１１、つまり熱電変換モジュール６２の発電量は、高温側の面と低温側の面との間の温度差の２乗に比例する。熱電発電装置１０の設置環境は一定と想定した場合、その温度差をより大きくするためには、冷却部５２の熱抵抗をより小さくする、つまり冷却部５２の放熱に関与する表面積を大きくして冷却性能をより向上させる必要がある。

【0033】

冷却部５２の熱抵抗をより小さくするほど、その冷却部５２の設置に必要な空間はより大きくなり、その冷却部５２の重量はより重くなる。これは、冷却部５２の空気に触れる面積をより大きくさせる必要があるからである。その面積をより大きくするためには、放熱板７３の枚数をより多くすると共に、ヒートパイプ７２をより長くする、受熱板７１とヒートパイプ７２の接触部である蒸発部の接触面積を広くすることも有効であるため、受熱板７１の長手方向上の長さを長くすると共に、厚みを厚くして熱電変換モジュール６２からの熱量が受熱板の端部までより伝達されるようにする、といったことが必要である。そのため、冷却部５２の製造コスト、つまり熱電発電装置１０の製造コストもより上昇することになる。

【0034】

一方、冷却部５２の熱抵抗がより大きくなるほど、熱電変換モジュール６２の高温側の面と低温側の面との間の温度差はより小さくなり、熱電変換モジュール６２、つまり熱電発電ユニット１１の発電量はより少なくなる。そのため、熱電発電装置１０の発電量を一定レベル以上とさせるような場合、必要な熱電変換モジュール６２の数はより多くなる。

【0035】

このように、冷却部５２の熱抵抗は、熱電発電装置１０の構成、及び構造に大きく影響する。そこで、熱電変換モジュール６２の熱抵抗を基準に、その熱電変換モジュール６２の熱抵抗と冷却部５２の熱抵抗との間の熱抵抗比による各種特性の変化をシミュレーションにより試算した。この熱抵抗比は、冷却部５２の熱抵抗を熱電変換モジュール６２の熱抵抗により除算して得られる値である。この熱抵抗比は以降「冷却性能比」と表記する。

【0036】

冷却性能比が小さいとき、冷却部５２は熱電変換モジュール６２より熱抵抗が小さいので、熱電変換モジュール６２の高温側の面と低温側の面との間の温度差はより大きくなる。この温度差が大きくなることから、熱電変換モジュール６２、つまり熱電発電ユニット１１の発電量はより多くなる。

【0037】

冷却性能比による各種特性の変化を説明する前に、図９、及び図１０を参照し、冷却性能比による冷却部５２の外形の変化について具体的に説明する。図９は、冷却性能比が０．３の場合の冷却部の例を示す図であり、図１０は、冷却性能比が０．１の場合の冷却部の例を示す図である。

【0038】

ここでは、図９、及び図１０に示すように、冷却部５２として、受熱板７１に一方の端部を含む部分が取り付けられ、その部分から他方の端部にいくにつれて高さが高くなるヒートパイプ７２、つまり全体の形状がＬ字型のヒートパイプ７２を用いた冷却部５２を例にとっている。

【0039】

形状の表現では、部材等に係わらず、図９に示すように、受熱板７１の長手方向上の長さを長さＬ、その短手方向上の長さを幅Ｗ、受熱板７１と発電部５１が重なる方向の長さは高さＨ、とそれぞれ表記する。冷却部５２の高さＨは、受熱板７１の底面、つまり熱伝達媒体６３と接する面を基準に表現する。

【0040】

熱量の除去は、つまり放熱は、主に放熱板７３によって行われる。放熱板７３に放熱させる熱量が大きくなるほど、受熱板７１からヒートパイプ７２への熱量の伝達量をより大きくする必要がある。このことから、図９、及び図１０に示すように、冷却部５２の熱抵抗を小さくし冷却性能比を小さくさせるほど、放熱板７３の枚数はより多く、ヒートパイプ７２の長さはより長くする必要がある。加えて、図１０に示すように、受熱板７１自体をより大きくして、例えば長さＬをより長くして、より大きい熱量がヒートパイプ７２に伝達されるようにする必要がある。そのため、冷却性能比を小さくするほど、冷却部５２の体積はより大きくなり、その重量はより重くなる。冷却部５２の体積は、例えば冷却部５２自体の幅Ｗ、長さＬ、高さＨを乗算して得られる値である。

【0041】

図１１は、冷却性能比による熱電変換モジュールの発電量の変化、及び重量比の変化の各例を説明する図である。図１１では、横軸に冷却性能比、右縦軸に重量比、左縦軸に発電量、をそれぞれとっている。重量比は、冷却性能比が０．０５の冷却部５２を基準とした値であり、冷却性能比がｘのときの重量比は、冷却性能比がｘのときの冷却部５２の重量を冷却性能比が０．０５のときの冷却部５２の重量で除算し１００を乗算して算出される。単位は％である。

【0042】

図１１では、冷却性能比による発電量の変化は○を付した線で表し、冷却性能比による重量比の変化は△を付した線で表している。

【0043】

図１１に示すように、熱電変換モジュール６２、つまり熱電発電ユニット１１の発電量を増加させるためには、冷却性能比を小さくする必要がある。これは、上記のように、冷却性能比が小さくなるほど、熱電変換モジュール６２の高温側の面と低温側の面との間の温度差がより大きくなるためである。しかし、冷却性能比を小さくするほど、上記のように、冷却部５２の体積はより大きくなり、重量比は大きくなる。１つの熱電発電ユニット１１の発電量はできるだけ多く、重量比は小さくなるように鑑みると、冷却性能比が０．０５から０．１に変化する間に重量比は大きく低下するのに対し、発電量の低下は十数％にとどまっている。

【0044】

なお、冷却部５２の重量は、体積に強く依存し、ほぼ体積に比例する。このことから、重量比の代わりに体積比を用いても良い。体積比は、例えば重量比と同様に、基準とする冷却性能比のときの冷却部５２の体積を基準体積として、冷却性能比がｘのときの体積比は、冷却性能比がｘのときの冷却部５２の体積を基準体積で除算し１００を乗算して算出すれば良い。

【0045】

図１２は、冷却性能比による熱電発電装置の総発電量の変化、及び設置可能な熱電発電ユニットの数の変化の各例を説明する図である。図１２では、横軸に冷却性能比、右縦軸に設置可能な熱電発電ユニット１１の数である設置可能数、左縦軸に総発電量、をそれぞれとっている。冷却性能比による総発電量の変化は○を付した線で表し、冷却性能比による設置可能数の変化は□を付した線で表している。

【0046】

総発電量の増加は、各熱電発電ユニット１１の発電量を増加させる、熱電発電ユニット１１の数を多くする、等により実現できる。各熱電発電ユニット１１の発電量を増加させるためには、図１１に示すように、冷却性能比を小さくする必要がある。しかし、図１２に示すように、冷却性能比を小さくするほど、設置可能数は少なくなる。冷却性能比が０．５から１に変化する間は、設置可能数が増えても、総発電量は大きく増えない。これは、冷却性能比が０．５から１に変化する間では、各熱電発電ユニット１１における温度差の低下が比較的に大きくなるからである。熱電発電ユニット１１の発電量は温度差の二乗で低下することから、この温度差の低下により、冷却性能比が０．５から１に変化する間、個々の熱電発電ユニット１１の発電量は低下する傾向となる。

【0047】

図１３は、冷却性能比による熱電発電装置での重量比の変化、及び一定の発電量を得るのに必要な熱電発電ユニットの数の変化の各例を説明する図である。図１３では、横軸に冷却性能比、右縦軸に必要な熱電発電ユニット１１の数である必要数、左縦軸に重量比、をそれぞれとっている。重量比の変化は△を付した線で表し、必要数の変化は□を付した線で表している。熱電発電装置での重量は、熱電発電ユニット１１の重量と必要数とを乗算した値であり、その重量比は、熱電発電ユニット１１と同様に、冷却性能比が０．０５のときの熱電発電装置１０を基準とした値である。冷却性能比が０．０５の熱電発電装置１０とは、冷却性能比が０．０５の熱電発電ユニット１１を採用した熱電発電装置１０のことである。

【0048】

図１３に示すように、一定の発電量を得るためには、冷却性能比が大きくなるほど、必要数量が多くなり、必要数量が多いほど、熱電発電装置１０の重量は軽くなる。重量は体積にほぼ比例することから、重量が軽くなるほど、熱電発電装置１０は小型となる。

【0049】

熱電発電装置１０も熱電発電ユニット１１と同様に、冷却性能比が０．０５から０．１に変化する間に重量比は大きく低下するのに対し、必要数の増加は比較的に少ない。また、冷却性能比が０．５から１．０に変化する間では、重量の変化は小さくとも、必要数は大きく増加している。これは、上記のように、個々の熱電発電ユニット１１の発電量が低下するからである。このようなことから、費用対効果、つまり製造コスト対総発電量が高くなるのは、冷却性能比が０.１～０．５の冷却部５２をもつ熱電発電ユニット１１を採用した場合だとわかる。

【0050】

上記のようなことから、本実施の形態１では、冷却性能比を０．１～０．５の間、つまり冷却部５２の熱抵抗を熱電変換モジュール６２の熱抵抗の１０％以上５０％以下としている。そのような熱抵抗の冷却部５２を用いることにより、最適な熱電発電装置１０を得ることができる。つまり大型化、重量化、及び製造コストを抑制しつつ、より大きい総発電量が得られる熱電発電装置１０を実現させることができる。大型化、重量化、及び製造コストの抑制は、費用対効果の低い大型で重量のある冷却部５２を採用しない、総電力量の増大が期待できない、或いは増大できる発電量が小さいような熱電発電ユニット１１を設置しない、といったことから実現できる。それらの抑制により、より総発電量の多い熱電発電装置１０をより安価に得ることができる。

【0051】

なお、本実施の形態１では、冷却性能比を０．１～０．５の間としているが、その範囲は多少、変動させても良い。例えば、熱電発電装置１０の重量比は、図１３に示すように、冷却性能比が０．１から０．２に変化するまでの間の変化量が他の部分と比較して大きくなっている。このことを重視し、冷却性能比を０．２～０．５までの間としても良い。

【0052】

実施の形態２．
上記実施の形態１では、上記のように、熱電発電装置１０が取り付けられるのは、配管２が水平、或いはほぼ水平となっている部分と想定している。これに対し、本実施の形態２では、配管２の鉛直方向上の位置を変化させる部分、例えば鉛直、或いはほぼ鉛直となっている部分に取り付けられるのを想定している。ここでは、上記実施の形態１と同じ、或いは相当するものには同一の符号を付し、上記実施の形態１から異なる部分にのみ着目して説明を行う。

【0053】

図１４は、本発明の実施の形態２に係る熱電発電装置の設置例を示す斜視図であり、図１５は、本発明の実施の形態２に係る熱電発電装置が備える熱電発電ユニットの配置例を示す図である。

【0054】

図１４、及び図１５に示すように、本実施の形態２に係る熱電発電装置１０は、配管２の鉛直、或いはほぼ鉛直となっている部分、つまり軸方向が図１４中に矢印で示す鉛直方向と平行、或いはほぼ平行となっている部分に取り付けられている。その熱電発電装置１０では、図１５に示すように、配管２の周囲全体に熱電発電ユニット１１が配置されている。

【0055】

上記実施の形態１では、ヒートパイプ７２はＵ字型の形状であり、図２に示すように、配管２の軸方向に沿って受熱板７１に取り付けられている。その軸方向が鉛直方向であった場合、ヒートパイプ７２の２つ存在する凝縮部のうちの一方は、蒸発部より下になる。凝縮部が蒸発部よりも下になる状態はトップヒートと呼ばれ、ヒートパイプ７２の熱輸送量は著しく低下する。上記実施の形態１において、配管２の上方部分にのみ熱電発電ユニット１１を設置しているのは、このトップヒートを回避させるためである。

【0056】

図１６は、本発明の実施の形態２に係る熱電発電装置に用いられる冷却部の例を示す斜視図である。この冷却部５２は、本実施の形態２に係る冷却装置に相当する構成要素である。

【0057】

本実施の形態２では、図１６に示すように、全体の形状がＬ字型のヒートパイプ７２（１）、７２（２）２を受熱板７１に取り付けている。受熱板７１に取り付けているのは、各ヒートパイプ７２（１）、７２（２）の一方の端部を含む直線状となっている部分であり、放熱板７３は、その直線状の部分から離れた箇所と他方の端部との間に取り付けられている。放熱板７３が取り付けられている部分は、図１４に示すように、熱電発電装置１０を配管２に取り付けた場合に、上側となる。放熱板７３が干渉しないように、各ヒートパイプ７２（１）、７２（２）の鉛直方向上の位置、及びその鉛直方向と直交する直交方向上の位置は、図１６に示すように異ならせている。放熱板７３の幅Ｗ、及び長さＬは、ヒートパイプ７２が１本の場合と比較して、共に短くさせている。

【0058】

このような冷却部５２を用いることにより、配管２の鉛直となっている部分に熱電発電装置１０を取り付ける場合であっても、トップヒートとなるのを回避させることができる。そのため、配管２の鉛直となっている部分に熱電発電装置１０を取り付ける場合、上記実施の形態１と比較して、同じ体積、同じ重量での熱抵抗はより小さくさせることができる。従って、より安価に、より総発電量の多い熱電発電装置１０を実現させることができるようになる。

【0059】

なお、本実施の形態２では、ヒートパイプ７２を２本、受熱板７１に取り付けているが、図９に示すように、ヒートパイプ７２は１本としても良い。ヒートパイプ７２の本数は３以上であっても良い。また、配管２の水平、或いはほぼ水平となっている部分に熱電発電装置１０を取り付ける場合、図１７に示すように、受熱板７１の長手方向上の両側に放熱板７３が位置するように２本のヒートパイプ７２を受熱板７１に取り付けるようにしても良い。このこともあり、ヒートパイプ７２は、放熱板７３が設けられた部分が受熱板７１の長手方向上の何れの側であっても取り付けられるようにするのが望ましい。

【0060】

実施の形態３．
上記実施の形態２では、図１５に示すように、ヒートパイプ７２は配管２の径方向上に沿って突出している。そのため、熱電発電装置１０を配管２に取り付ける場合、配管２の径方向上の広い範囲に障害物が存在しないことが条件となる。このことから、本実施の形態３は、配管２の径方向上に必要とする範囲、つまり径方向上の設置スペースをより小さくさせたものである。その範囲をより小さくすることにより、上記実施の形態２では設置できない場所にも熱電発電装置を設置することができる。ここでも上記実施の形態２と同様に、上記実施の形態１と同じ、或いは相当するものには同一の符号を付し、上記実施の形態２から異なる部分にのみ着目して説明を行う。

【0061】

図１８は、本発明の実施の形態３に係る熱電発電装置の設置例を示す斜視図であり、図１９は、本発明の実施の形態３に係る熱電発電装置が備える熱電発電ユニットの配置例を示す図である。また、図２０は、本発明の実施の形態３に係る熱電発電装置に用いられる冷却部の例を示す斜視図である。この冷却部５２は、本実施の形態３に係る冷却装置に相当する構成要素である。

【0062】

図１８、及び図１９に示すように、本実施の形態３に係る熱電発電装置１０は、上記実施の形態２と同様に、配管２の鉛直、或いはほぼ鉛直となっている部分、つまり図１８中に矢印で示す鉛直方向と平行、或いはほぼ平行となっている部分に取り付けられている。その熱電発電装置１０では、図１９に示すように、配管２の周囲全体に熱電発電ユニット１１が配置されている。

【0063】

上記実施の形態２では、図１６に示すように、ヒートパイプ７２はＬ字型の形状であり、一方の端部は配管２の径方向に沿って突出している。その径方向上に突出する部分、つまり高さＨをより低くするために、本実施の形態３では、図１８、及び図２０に示すように、ヒートパイプ７２の放熱板７３が取り付けられた部分は、受熱板７１から配管２の軸方向上に沿って突出させるようにしている。ヒートパイプ７２の本数は２本としている。

【0064】

本実施の形態３では、図２０に示すように、ヒートパイプ７２として、全体の形状がクランク状、つまり直角、或いは直角に近い角度で２度、反対方向に曲げて得られる形状のヒートパイプ７２（１）、７２（２）を用いている。そのために、各ヒートパイプ７２は、曲がる方向が異なる２箇所の曲り部７２ａ、７２ｂを有している。

【0065】

受熱板７１に取り付けているのは、各ヒートパイプ７２（１）、７２（２）の一方の端部を含む直線状となっている部分であり、放熱板７３は、その直線状の部分から離れた箇所と他方の端部との間に取り付けられている。放熱板７３が取り付けられている部分は、図１８に示すように、熱電発電装置１０を配管２に取り付けた場合、鉛直方向上、受熱板７１より上側になる。放熱板７３が干渉しないように、各ヒートパイプ７２（１）、７２（２）の配管２の径方向上の位置、及びその周方向上の位置は、図１９に示すように異ならせている。放熱板７３の幅Ｗ、及び長さＬは、ヒートパイプ７２が１本の場合と比較して、共に短くさせている。

【0066】

このような冷却部５２の構造とすることにより、図１９に示すように、配管２の径方向上の熱電発電装置１０の設置に必要な空間は、上記実施の形態２と比較して、より小さくすることができる。そのため、本実施の形態３では、上記実施の形態２では設置できない場所にも熱電発電装置１０を設置させることができる。

【0067】

なお、本実施の形態３では、曲り部７２ａ、７２ｂで曲がる角度は直角、或いは直角に近い角度としているが、その角度に限定されない。このことから、ヒートパイプ７２は、Ｚ字型であっても良い。また、曲がる方向は反対方向でなくとも良い。

【0068】

例えば高さ方向、長さ方向をそれぞれ軸とする２次元平面を想定する。その２次元平面において、曲り部７２ａと曲り部７２ｂとの間の部分と高さ方向とが成す角度をα、曲り部７２ａから先の部分と高さ方向とが成す角度をβとする。曲り部７２ａと曲り部７２ｂとの間の部分とは、例えばヒートパイプ７２のその間の部分における軸方向である。曲り部７２ａから先の部分とは、例えばヒートパイプ７２のその先の部分における軸方向である。

【0069】

このように想定した場合、角度αの絶対値＜角度βの絶対値、の関係を満たすように、曲り部７２ａ、７２ｂの曲がる角度、曲がる方向を決定すれば良い。これは、その関係が満たされる場合、ヒートパイプ７２の長さが同じであれば、曲り部７２ｂだけが存在する場合の高さＨ＞曲り部７２ａ、７２ｂが存在する場合の高さＨ、となるからである。言い換えれば、曲り部７２ｂだけが存在する場合の長さＬ＜曲り部７２ａ、７２ｂが存在する場合の長さＬ、となるからである。このため、配管２の径方向上の熱電発電装置１０の設置に必要な空間を上記実施の形態２よりも小さくさせることができる。曲り部の数は３以上であっても良いが、基準とする角度をαと想定した場合、上記関係を満たす角度βを実現させる曲り部を１つ以上、設ける必要がある。

【0070】

また、本実施の形態３では、ヒートパイプ７２を２本、用いているが、図２１に示すように、ヒートパイプ７２は１本のみであっても良い。ヒートパイプ７２の本数は３以上であっても良い。また、配管２の水平、或いはほぼ水平となっている部分に熱電発電装置１０を取り付けるような場合、図１７に示すように、受熱板７１の長手方向上の両側に放熱板７３が位置するように２本のヒートパイプ７２を受熱板７１に取り付けても良い。また、１本のヒートパイプ７２の両端側に放熱板７３を設け、そのヒートパイプ７２の中央部分を受熱板７１に取り付けるようにしても良い。このヒートパイプ７２は、２本以上、受熱板７１に取り付けても良い。

【0071】

本実施の形態１～３では、１つの熱電変換モジュール６２、つまり１つの発電部５１に１つの冷却部５２を取り付けるようにしている。これは、熱電発電装置１０の取り付けを想定する配管２の断面形状として円形を想定しているためである。しかし、熱電発電装置１０を取り付けるのは配管２に限定されるものではなく、熱電発電装置１０は平坦な部分に設置しても良い。このこともあり、複数の発電部５１に１つの冷却部５２を取り付ける、言い換えれば１つの熱電発電ユニット１１に複数の熱電変換モジュール６２を用いるようにしても良い。

【0072】

また、本実施の形態１～３では、熱電発電装置１０は複数の熱電発電ユニット１１、つまり複数の熱電変換モジュール６２を備えているが、熱電変換モジュール６２の数は特に限定されるものではない。

【符号の説明】

【0073】

１ 工場設備、２ 配管、１０ 熱電発電装置、１１ 熱電発電ユニット、５１ 発電部、５２ 冷却部（冷却装置）、６１、６３ 熱伝達媒体、６２ 熱電変換モジュール、７１ 受熱板、７２、７２（１）、７２（２） ヒートパイプ、７３ 放熱板。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】