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熱電発電装置、熱交換機

国内特許コード P110003608
整理番号 862
掲載日 2011年6月27日
出願番号 特願2005-112806
公開番号 特開2006-296077
登録番号 特許第4534060号
出願日 平成17年4月8日(2005.4.8)
公開日 平成18年10月26日(2006.10.26)
登録日 平成22年6月25日(2010.6.25)
発明者
  • 鈴木 亮輔
  • 吉井 一倫
  • 吉川 信治
出願人
  • 国立大学法人京都大学
発明の名称 熱電発電装置、熱交換機
発明の概要 【課題】 発電効率や熱交換効率が向上した熱電発電装置および熱交換機を提供する。
【解決手段】 各表面間での温度差を電気に変換するための熱電素子を備えた熱電パネル7を設ける。熱電パネル7の各表面に対し、それぞれ、互いに温度が異なる第一流体5および第二流体6を流すための配管部3、4を設ける。配管部3、4は、第一流体5を流すための第一流路管3と、第二流体6を流すための第二流路管4とが、第一流体5および第二流体6の各流れ方向に沿って互いに隣接して設けられており、第一流路管3および第二流路管4は、上記各流れ方向が螺旋状に、かつ、上記各流れ方向に直交する断面がそれぞれ矩形状に設定されている。
【選択図】 図1
従来技術、競合技術の概要


従来、温度差を有する各領域や各状態があれば、その温度差を利用して発電できる熱電発電が、熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換できる発電方式であり、その原理上、熱源および熱媒体を選ばない発電方式として知られている。



このような熱電発電は、既存の発電施設の高効率化や廃熱の回収によってエネルギー利用効率を高めることができ、あるいは温泉や人間の体温など、従来電力源として利用されていなかったものからも発電が可能なものである。すなわち、熱電発電は、エネルギーの効率的利用とエネルギー源の多様化という二つの要請の双方に応えることが可能な発電方式である。さらに、熱電発電は、機械的駆動部分がないためモジュール化が可能で、半恒久的に利用できること、また、一般的な熱機関では利用できない低温熱源からも電力が回収可能であること等の利点を有し、新エネルギー源の有力な候補の一つといえる。



したがって、上記熱電発電は、低温熱源(40℃以下)においても、温度差が生じていれば発電できて発電条件の自由度が高いこと、また、上記温度差から直接的に発電できるので発電の構造を簡素化できて小型・軽量化できることから、種々な応用が考えられている。



そのような応用例としては、原子力発電や火力発電の熱排水を利用した発電(熱排水の熱交換による低温化も含めて)、また、空気を主成分とする高温燃焼ガスと水との熱交換を利用した発電と温水とを製造するコジェネレーション装置、さらには、ガソリンエンジンやジーゼルエンジンなどの排ガスと空気もしくは水とによる熱交換を利用する自動車用排ガス発電などが挙げられる。



このような熱電発電については、排水、排ガスから、直流電力を回収することができて、発電に使用される化石燃料の使用量を低減することが可能となるので、上記化石燃料による発電の際に生じる二酸化炭素の発生量も抑制できるため、環境保護の点からも、今後の進展が大いに期待されている。



上記熱電発電では、温度差を利用して効率的に発電するために、互いに温度が異なる二つの流体を連続的にそれぞれ独立に流す必要があり、よって、熱交換機の形状が好適に使用される。そのような熱交換機の例としては、隔壁型、パイプ型、シェルアンドチューブ型などが挙げられる。



隔壁型の熱電発電装置としては、図5に示すように、角筒状の本体21の内部空間に対し、本体21の長手方向に上記内部空間を二分するように熱電パネル22を設け、上記熱電パネル22の両表面上に、それぞれ、第一流体23と、第一流体23と温度が異なる第二流体24とを流し、上記両者間の温度差により上記熱電パネル22にて発電するものが挙げられる。



また、シェルアンドチューブ型(パイプ型も同様)の熱電発電装置としては、図6に示すように、円筒状の本体31の内部空間に対し、本体31の中心軸方向に沿って、上記内部空間を三分するように円筒状の互いに径が相違する各熱電パネル32、33を同軸状にそれぞれ設け、上記熱電パネル32の外表面上および上記熱電パネル33の内部空間にそれぞれ、各第一流体34、36と、上記熱電パネル32の内部空間に各第一流体34、36と温度が異なる第二流体35とを流し、上記両者間の温度差により上記各熱電パネル32、33にて発電するものが挙げられる。
【非特許文献1】
R. O. Suzuki, D. Tanaka, "Mathematical simulation of thermoelectric power generation with the multi-panels" J. Power Sources, Vol. 122, p.201-209 (2003)

産業上の利用分野


本発明は、熱交換効率を向上できる熱交換機、それを用いた熱電発電装置に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
各表面間での温度差を電気に変換するための熱電素子を備えた熱電パネルと、
上記熱電パネルの各表面に対し、それぞれ、互いに温度が異なる第一流体および第二流体を流すための配管部とを有し、
上記配管部は、上記第一流体を流すための第一流路管と、上記第二流体を流すための第二流路管とが、上記第一流体および上記第二流体の各流れ方向に沿って互いに隣接して設けられており、
上記第一流路管および上記第二流路管は、上記各流れ方向が螺旋状に、かつ上記各流れ方向に直交する断面がそれぞれ矩形状に設定され
上記第一流路管の矩形状の長手方向と上記第二流路管の矩形状の長手方向とが互いに対面していることを特徴とする熱電発電装置。

【請求項2】
上記熱電パネルは、上記第一流路管と第二流路管とが互いに隣接する壁面部に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の熱電発電装置。

【請求項3】
上記第一流路管および上記第二流路管は、3段以上の多段式の螺旋形状に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の熱電発電装置。

【請求項4】
各表面間での温度差を電気に変換するための熱電素子を備えた熱電パネルと、
上記熱電パネルの各表面に対し、それぞれ、互いに温度が異なる第一流体および第二流体を流すための配管部とを有し、
上記配管部は、上記第一流体を流すための第一流路管と、上記第二流体を流すための第二流路管とが、上記第一流体および上記第二流体の各流れ方向に沿って互いに隣接して設けられており、
上記第一流路管および上記第二流路管は、上記各流れ方向が螺旋状に、かつ上記各流れ方向に直交する断面がそれぞれ矩形状に設定され、
上記第一流路管および上記第二流路管は、3段以上の多段式の螺旋形状に形成され、
多段式の螺旋形状の上記第一流路管および上記第二流路管との間にそれぞれ設けられた二重螺旋形状の各熱電パネルの一方に代えて、上記熱電パネルと比べて大きな断熱性を有した断熱パネルが設けられていることを特徴とする熱電発電装置。

【請求項5】
上記第一流路管および上記第二流路管の曲率半径比が1~10に形成されていることを特徴とする請求項1ないし4の何れか1項に記載の熱電発電装置。

【請求項6】
上記第一流体および第二流体の少なくとも一方は、非圧縮性粘性流体であり、
上記第一流路管および上記第二流路管は、上記第一流路管および上記第二流路管内をそれぞれ流れるときの第一流体および第二流体が乱流となるように設定されていることを特徴とする請求項1ないし5の何れか1項に記載の熱電発電装置。

【請求項7】
上記第一流路管および上記第二流路管は、上記第一流体および第二流体が互いに向流となるように設定されていることを特徴とする請求項1ないし6の何れか1項に記載の熱電発電装置。

【請求項8】
第一流体を流すための第一流路管と、上記第一流体と温度が異なる第二流体を流すための第二流路管とが、上記第一流体および上記第二流体の各流れ方向に沿って互いに隣接して熱交換するように設けられ、
上記第一流路管および上記第二流路管は、上記各流れ方向が螺旋状に、かつ、上記各流れ方向に直交する断面がそれぞれ矩形状に設定され、
上記第一流路管および上記第二流路管の曲率半径比が1~10に形成され
上記第一流路管の矩形状の長手方向と上記第二流路管の矩形状の長手方向とが互いに対面していることを特徴とする熱交換機。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2005112806thum.jpg
出願権利状態 登録
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