熱電発電装置 - 特開２００９－２４７０５０（Ｐ２００９－２４７０５０Ａ）

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	【発明の名称】	熱電発電装置
	【発明者】	【氏名】中谷祐二郎【氏名】新藤尊彦【氏名】若松建吾【氏名】伊藤義康【氏名】和田国彦【氏名】大石高志
	【課題】耐食性に優れたチタン系材料を特に用いることなく、また、配管の肉厚を特に厚くすることなく、熱源から熱電変換モジュールへの熱伝導や熱電変換モジュールから冷却媒体への熱伝導を維持しつつ、耐食性を高めることにある。【解決手段】温度差により発電する熱電変換モジュール１と、この熱電変換モジュールの高温面側に接触させて配置され高温熱源流体４が流れる高温流体配管２と、熱電変換モジュール１の低温面側に接触させて配置され低温冷却流体５が流れる低温流体配管３とを備え、高温流体配管２及び低温流体配管３の少なくとも一方の配管の内面に、有機・無機ハイブリッドセラミックスからなる腐食コーティング層６を形成する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度差により発電する熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールの高温面側に接触させて配置され高温熱源流体が流れる高温流体配管と、前記熱電変換モジュールの低温面側に接触させて配置され低温冷却流体が流れる低温流体配管とを備え、
前記高温流体配管及び低温流体配管の少なくとも一方の配管の内面に、腐食コーティング層を形成したことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の熱電発電装置において、
配管の内面に形成される腐食コーティング層は、ドクターブレード法による有機・無機ハイブリッドセラミックスをコーティングしたものである熱電発電装置。
【請求項３】
請求項２記載の熱電発電装置において、
有機・無機ハイブリッドセラミックスの有機材料がアクリルであり、無機材料が高熱伝導セラミックスであることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の熱電発電装置において、
前記高温流体配管及び低温流体配管の少なくとも一方の配管の前記熱電変換モジュール側に対応する内面に複数のフィンを設けたことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項５】
請求項４記載の熱電発電装置において、
前記熱電変換モジュール側に対応する内面に設けられた複数のフィンの表面に耐食コーティング層が形成されていることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項６】
請求項５記載の熱電発電装置において、
フィンの表面に形成される耐食コーティング層は、有機・無機ハイブリッドセラミックスをコーティングしたものである熱電発電装置。
【請求項７】
温度差により発電する熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールの高温面側に接触させて配置され高温熱源流体が流れる高温流体配管と、前記熱電変換モジュールの低温面側に接触させて配置され低温冷却流体が流れる低温流体配管とを備え、
前記高温流体配管及び低温流体配管をカーボン材料により構成したことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項８】
請求項７記載の熱電発電装置において、
前記高温流体配管及び低温流体配管の少なくとも一方の配管の前記熱電変換モジュール側に対応する内面に複数のカーボンフィンを設けたことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項９】
温度差により発電する熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールの高温面側に接触させて配置され高温熱源流体が流れる高温流体配管と、前記熱電変換モジュールの低温面側に接触させて配置され低温冷却流体が流れる低温流体配管とを備え、
前記高温流体配管及び低温流体配管を金属－カーボンの複合材料により構成したことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項１０】
請求項９記載の熱電発電装置において、
前記高温流体配管及び低温流体配管の少なくとも一方の配管の前記熱電変換モジュール側に対応する内面に金属－カーボンの複合材料からなる複数のフィンを設けたことを特徴とする熱電発電装置。

【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源と冷却媒体との間に熱電変換モジュールを設置し、その温度差を利用して発電を行う熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電発電装置は、熱源と冷却媒体との間に熱電変換モジュールを設置し、温度差を利用して発電を行うものである。この場合、熱源としては一般に高温の液体あるいは気体であり、高温配管を介して熱電変換モジュールに熱を伝えている。また、冷却媒体としては冷却水のような液体や空気のような気体であり、冷却配管やヒートシンクを介して熱電変換モジュールの高温面と反対側の面を冷却している。
【０００３】
従来、このような方法を用いた熱電変換装置としては、温泉からの熱水を熱源とし高温配管に導き、川の水を冷却水として冷却配管に導いて温度差発電を行うもの（例えば、特許文献１）、や自動車の排ガスなどの熱流体を熱源として流通管に通し、冷却水を冷却配管に通して温度差発電を行うものなどがある（例えば、特許文献２）。
【０００４】
すなわち、これらの熱電発電装置においては、熱電変換モジュールの高温面に接するように高温配管を配設し、この高温配管内に熱源流体を流し、熱電変換モジュールの低温面に接するように低温配管を配設し、この低温配管内に冷却流体（冷却水や冷却気体）を流す方法が一般的である。
【特許文献１】特願平１１－２４７７５３号公報
【特許文献２】特開２００２－１９９７６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述した熱電発電装置においては、次のような課題がある。
【０００６】
すなわち、熱源となる高温流体は、温泉などの自然の高温水や、工場などから排出される高温水、排ガスであり、これらは腐食性の性状を有するものが多いため、高温配管が短期間の内に腐食して機能を果たさなくなる。
【０００７】
また、冷却媒体は工業用水や自然水、空気であることが多い。工業用水はもとより、地域によっては自然水や空気も腐食性の性状を有することがあり、低温配管が腐食して機能を果たさなくなることもある。
【０００８】
このような従来の熱電発電装置では、実機環境において高温配管、低温配管などが腐食してしまうという課題がある。
【０００９】
一方、このような腐食に対し、チタン系材料のように耐食性に優れた金属を用いると、材料コストが非常に高価になってしまうという課題がある。
【００１０】
また、腐食に対する施策として、高温配管、低温配管の肉厚を厚くすることが考えられるが、熱源から熱電変換モジュールへの熱伝導、及び熱電変換モジュールから冷却媒体への熱伝導を阻害し、システム効率の低下を招く。
【００１１】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、耐食性に優れたチタン系材料を特に用いることなく、また、配管の肉厚を特に厚くして熱伝導特性を低下させることなく、熱源から熱電変換モジュールへの熱伝導や熱電変換モジュールから冷却媒体への熱伝導を維持し発電性能を維持しつつ、かつ熱源流体が流れる高温配管や冷却媒体が流れる低温配管の耐食性を高めることができる熱電発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記の目的を達成するため、次のような手段により熱電発電装置を構成する。
【００１３】
（１）本発明は、温度差により発電する熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールの高温面側に接触させて配置され高温熱源流体が流れる高温流体配管と、前記熱電変換モジュールの低温面側に接触させて配置され低温冷却流体が流れる低温流体配管とを備え、前記高温流体配管及び低温流体配管の少なくとも一方の配管の内面に、腐食コーティング層を形成する。
【００１４】
（２）本発明は、温度差により発電する熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールの高温面側に接触させて配置され高温熱源流体が流れる高温流体配管と、前記熱電変換モジュールの低温面側に接触させて配置され低温冷却流体が流れる低温流体配管とを備え、前記高温流体配管及び低温流体配管をカーボン材料により構成する。
【００１５】
（３）本発明は、温度差により発電する熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールの高温面側に接触させて配置され高温熱源流体が流れる高温流体配管と、前記熱電変換モジュールの低温面側に接触させて配置され低温冷却流体が流れる低温流体配管とを備え、前記高温流体配管及び低温流体配管を金属－カーボンの複合材料により構成する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、耐食性に優れたチタン系材料を特に用いることなく、また、配管の肉厚を特に厚くして熱伝導特性を低下させることなく、熱源から熱電変換モジュールへの熱伝導や熱電変換モジュールから冷却流体への熱伝導を維持し発電性能を維持しつつ、かつ熱源流体が流れる高温配管や冷却媒体が流れる低温配管の耐食性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明による熱電発電装置の第１の実施形態を示す断面図である。
【００１９】
第１の実施形態では、並設された複数個の熱電変換モジュール１を挟んで、その高温面側に接触させて配置される断面矩形状のアルミ材からなる高温流体配管２及び低温面側に接触させて配置される断面矩形状のアルミ材からなる低温流体配管３の内面、すなわち高温流体配管２にあっては、高温熱源流体４が流れる流路面及び低温流体配管３にあっては、低温冷却流体５が流れる流路面にドクターブレード法による有機・無機ハイブリッドセラミックスをコーティングして腐食コーティング層６をそれぞれ形成するようにしたものである。
【００２０】
この場合、有機・無機ハイブリッドセラミックスからなる腐食コーティング層６は、１００μｍ程度の厚さとなっている。
【００２１】
次に、従来の熱電発電装置と対比して本実施形態の熱電発電装置の作用効果について述べる。
【００２２】
従来の熱電発電装置は、内部に高温熱源流体が流れるアルミ材からなる高温流体配管と、内部に低温冷却流体が流れるアルミ材からなる低温流体配管と、これら高温流体配管及び低温流体配管に高温面側及び低温面側を接触させて配置された熱電変換モジュールとから構成されている。
【００２３】
このような構成の熱電発電装置においては、高温熱源流体や低温冷却流体が腐食性の流体の場合、高温配管や低温配管が腐食し、配管に穴が開くなどの損傷が発生すると装置の機能に重大な損失を引起す。かかる配管の損傷を防ぐために耐食性の高いチタン製の配管を用いることも考えられるが、チタン製の配管はアルミ配管に比べて著しくコストが高くなる。
【００２４】
また、構造として耐腐食性を高めることを目的とし、アルミ配管の肉厚を厚くするという対策も考えられるが、高温熱源流体から熱電変換モジュールへの距離、あるいは熱電変換モジュールから低温冷却流体への距離が大きくなってしまい、高温熱源流体からの熱伝導、あるいは低温冷却流体への熱伝導を阻害することになる。
【００２５】
その結果、熱電変換モジュールの高温面と低温面との温度差が小さくなり、発電量が低下することになる。
【００２６】
これに対して、上述した本実施形態においては、アルミ材からなる高温流体配管２及び低温流体配管３の内面に、有機・無機ハイブリッドセラミックスをコーティングして腐食コーティング層６をそれぞれ形成しているので、耐食性が高く、施工費用が安価になり、高価なチタン製の配管を用いる必要がない。
【００２７】
また、有機・無機ハイブリッドセラミックスからなる腐食コーティング層７の厚さは高々１００μｍ程度なので、高温熱源流体５からの熱伝導、あるいは低温冷却流体６への熱伝導にほとんど影響を与えない。すなわち、熱電変換モジュール１の高温面と低温面との温度差に影響を与えずに耐食性を高めることが可能となる。
【００２８】
なお、有機・無機ハイブリッドセラミックスからなる腐食コーティング層６は、例えば有機材料をアクリル、無機材料を高熱伝導セラミックスとすれば、バインダーである有機材料施工性を高め、高熱伝導セラミックスが熱伝導性を高めるという効果が得られる。
【００２９】
以上のように本発明による熱電発電装置の第１の実施形態によれば、耐食性に優れたチタン系材料を特に用いることなく、また、配管の肉厚を特に厚くすることなく、熱源から熱電変換モジュールへの熱伝導や熱電変換モジュールから冷却媒体への熱伝導を維持しつつ、耐食性を高めることができる。
【００３０】
なお、上記実施形態では、高温流体配管２及び低温流体配管３の両方の配管内面に腐食コーティング層６を形成したが、高温熱源流体、低温冷却流体の一方が腐食性の流体の場合には腐食性流体が流れる側の配管内面にのみ腐食コーティング層６を形成するようにしてもよい。
【００３１】
図２は、本発明による熱電発電装置の第２の実施形態を示す断面図である。
【００３２】
第２の実施形態では、並設された複数個の熱電変換モジュール１を挟んで、その高温面側に断面矩形状のカーボン材からなる高温流体配管７を接触させて配置し、低温面側に断面矩形状のカーボン材からなる低温流体配管８を接触させて配置する構成としたものである。
【００３３】
この場合、カーボン材からなる高温流体配管７及び低温流体配管８は、ある特定の方向の熱伝導特性が高いというカーボン材の特徴（異方性）を利用し、高温熱源流体４から熱電変換モジュール１の高温接触面側の方向及び低温冷却流体５から熱電変換モジュール１の低温接触面側の方向への熱伝導率が高くなるように構成されている。
【００３４】
このように高温流体配管７及び低温流体配管８を構成するカーボン材料は、金属材料に比較して耐食性に優れ、かつ熱伝導も十分に高いという特徴を有しており、耐腐食性が要求される熱電発電装置においては好適である。
【００３５】
以上のように本発明による熱電発電装置の第２の実施形態によれば、耐食性に優れたチタン系材料を特に用いることなく、また、配管の肉厚を特に厚くすることなく、熱源から熱電変換モジュールへの熱伝導や熱電変換モジュールから冷却媒体への熱伝導を維持しつつ、耐食性を高めることができる。
【００３６】
なお、上記実施形態では、高温流体配管７及び低温流体配管８をカーボン材料により構成したが、金属－カーボンの複合材料により各配管を構成してもよい。
【００３７】
図３は、本発明による熱電発電装置の第３の実施形態を示す断面図で、図１と同一構成部分には同一符号を付して説明する。
【００３８】
第３の実施形態では、並設された複数個の熱電変換モジュール１を挟んで、その高温面側に接触させて配置され、且つ熱電変換モジュール１の高温面側に対応する内面に複数個のフィン９を設けた断面矩形状のアルミ材からなる高温流体配管２及び低温面側に接触させて配置され、且つ熱電変換モジュール１の低温面側に対応する内面に複数個のフィン１０を設けた断面矩形状のアルミ材からなる低温流体配管３を構成し、これら高温流体配管２及び低温流体配管の内面及びフィン９，１０の表面に有機・無機ハイブリッドセラミックスをコーティングして腐食コーティング層６をそれぞれ形成するようにしたものである。
【００３９】
この場合、有機・無機ハイブリッドセラミックスからなる腐食コーティング層６は、１００μｍ程度の厚さとなっている。
【００４０】
このような構成の熱電発電装置においては、まず、高温流体配管２及び低温流体配管３の熱電変換モジュール１の高温面側及び低温面側に対応する内面にフィン９，１０をそれぞれ設けることにより、高温熱源流体４からの熱吸収量を高めることが可能となり、また、低温冷却流体５への熱放出量を高めることが可能となる。
【００４１】
したがって、熱電変換モジュール１の高温面と低温面との温度差を大きくすることができるので、発電量を多くすることができる。
【００４２】
ここで、高温熱源流体４や低温冷却流体５が腐食性の流体の場合、高温流体配管２や低温流体配管３が腐食するのと同様に、フィン９，１０も腐食し、本来の機能を果さなくなる。そこで、フィンの損傷を防ぐために耐食性の高いチタン製のフィンを用いることも考えられるが、チタンは切削が困難な材料のため、フィンを製作することが難しく、また、高価になる。
【００４３】
本実施形態では、高温流体配管２及び低温流体配管３の内面及びフィン９,１０の表面に耐食性が高く、施工費用が安価な有機・無機ハイブリッドセラミックスをコーティングして腐食コーティング層６をそれぞれ形成するようにしているので、チタン製の配管やチタン製のフィンを用いる必要がない。
【００４４】
また、有機・無機ハイブリッドセラミックスからなる腐食コーティング層６の厚さは高々１００μｍ程度なので、高温熱源流体４からの熱伝導、あるいは低温冷却流体５への熱伝導にほとんど影響を与えることがない。すなわち、熱伝導変換モジュール１の高温面と低温面との温度差に影響を与えることなく、耐食性を高めることができる。
【００４５】
なお、有機・無機ハイブリッドセラミックスからなる腐食コーティング層６は、例えば有機材料をアクリル、無機材料を高熱伝導セラミックスとすれば、バインダーである有機材料施工性を高め、高熱伝導セラミックスが熱伝導性を高めるという効果が得られる。
【００４６】
以上のように本発明による熱電発電装置の第３の実施形態によれば、耐食性に優れたチタン系材料を特に用いることなく、また、配管の肉厚を特に厚くすることなく、耐食性を高め、且つ熱源から熱電変換モジュールへの吸熱や熱電変換モジュールから冷却媒体への放熱を高めることができる。
【００４７】
図４は、本発明による熱電発電装置の第４の実施形態を示す断面図で、図２と同一構成部分には同一符号を付して説明する。
【００４８】
図４の実施形態では、並設された複数個の熱電変換モジュール１を挟んで、その高温面側に接触させて配置され、且つ熱電変換モジュール１の高温面側に対応する内面に複数個のフィン１１を設けた断面矩形状のカーボン材からなる高温流体配管７及び低温面側に接触させて配置され、且つ熱電変換モジュール１の低温面側に対応する内面に複数個のフィン１２を設けた断面矩形状のカーボン材からなる低温流体配管８を構成し、これら高温流体配管７及び低温流体配管８の内面及びフィン１１，１２の表面に有機・無機ハイブリッドセラミックスをコーティングして腐食コーティング層６をそれぞれ形成するようにしたものである。
【００４９】
このような構成の熱電発電装置においては、まず、カーボン材からなる高温流体配管７及び低温流体配管８の熱電変換モジュール１の高温面側及び低温面側に対応する内面にそれぞれフィン１１，１２を設けることにより、高温熱源流体４からの熱吸収量を高めることが可能となり、また、低温冷却流体５への熱放出量を高めることが可能となる。
【００５０】
したがって、熱電変換モジュール１の高温面と低温面との温度差を大きくすることができるので、発電量を多くすることができる。
【００５１】
ここで、高温熱源流体４や低温冷却流体５が腐食性の流体の場合、カーボン材からなる高温流体配管７及び低温流体配管８とフィン１１，１２は、ある特定の方向の熱伝導特性が高いというカーボン材の特徴（異方性）を利用し、高温熱源流体４から熱電変換モジュール１の高温接触面側の方向及び低温冷却流体５から熱電変換モジュール１の低温接触面側の方向への熱伝導率が高くなるように構成されている。
【００５２】
このように高温流体配管７及び低温流体配管８とフィン１１，１２に用いられるカーボン材料は、金属材料に比較して耐食性に優れ、かつ熱伝導も十分に高いという特徴を有しており、耐腐食性が要求される熱電発電装置においては好適である。
【００５３】
以上のように本発明による熱電発電装置の第４の実施形態によれば、耐食性に優れたチタン系材料を特に用いることなく、また、配管の肉厚を特に厚くすることなく、耐食性を高め、かつ熱源から熱電変換モジュールへの吸熱や熱電変換モジュールから冷却媒体への放熱を高めることができる。
【００５４】
なお、上記実施形態では、高温流体配管７及び低温流体配管８とフィン１１，１２をカーボン材料により構成したが、各配管及びフィンを金属－カーボンの複合材料により構成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明による熱電発電装置の第１の実施形態を示す断面図。
【図２】本発明による熱電発電装置の第２の実施形態を示す断面図。
【図３】本発明による熱電発電装置の第３の実施形態を示す断面図。
【図４】本発明による熱電発電装置の第４の実施形態を示す断面図。
【符号の説明】
【００５６】
１…熱電変換モジュール、２…アルミ材からなる高温流体配管、３…アルミ材からなる低温流体配管、４…高温熱源流体、５…低温冷却流体、６…腐食コーティング層、７…カーボン材からなる高温流体配管、８…カーボン材からなる低温流体配管、９，１０，１１,１２…フィン

特許の図

【出願人】	【識別番号】０００００３０７８【氏名又は名称】株式会社東芝
【出願日】	平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【代理人】	【識別番号】１０００５８４７９【弁理士】【氏名又は名称】鈴江武彦【識別番号】１００１０８８５５【弁理士】【氏名又は名称】蔵田昌俊【識別番号】１０００９１３５１【弁理士】【氏名又は名称】河野哲【識別番号】１０００８８６８３【弁理士】【氏名又は名称】中村誠【識別番号】１００１０９８３０【弁理士】【氏名又は名称】福原淑弘【識別番号】１０００７５６７２【弁理士】【氏名又は名称】峰隆司【識別番号】１０００９５４４１【弁理士】【氏名又は名称】白根俊郎【識別番号】１０００８４６１８【弁理士】【氏名又は名称】村松貞男【識別番号】１００１０３０３４【弁理士】【氏名又は名称】野河信久【識別番号】１００１１９９７６【弁理士】【氏名又は名称】幸長保次郎【識別番号】１００１５３０５１【弁理士】【氏名又は名称】河野直樹【識別番号】１００１４０１７６【弁理士】【氏名又は名称】砂川克【識別番号】１００１０１８１２【弁理士】【氏名又は名称】勝村紘【識別番号】１０００９２１９６【弁理士】【氏名又は名称】橋本良郎【識別番号】１００１００９５２【弁理士】【氏名又は名称】風間鉄也【識別番号】１０００７０４３７【弁理士】【氏名又は名称】河井将次【識別番号】１００１２４３９４【弁理士】【氏名又は名称】佐藤立志【識別番号】１００１１２８０７【弁理士】【氏名又は名称】岡田貴志【識別番号】１００１１１０７３【弁理士】【氏名又は名称】堀内美保子【識別番号】１００１３４２９０【弁理士】【氏名又は名称】竹内将訓【識別番号】１００１２７１４４【弁理士】【氏名又は名称】市原卓三【識別番号】１００１４１９３３【弁理士】【氏名又は名称】山下元
【公開番号】	特開２００９－２４７０５０（Ｐ２００９－２４７０５０Ａ）
【公開日】	平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【出願番号】	特願２００８－８７７６２（Ｐ２００８－８７７６２）