(57)【要約】【課題】振動や排気通路の熱膨張により熱電素子が破損することがなく、排気ガスの温度によらず規定の発電量を得ることが可能な熱電ユニットを提供する。【解決手段】エンジンＥの排気通路２に臨むように設けられた受熱フィン８を有する受熱体４と、受熱体４の背面に設けられた熱電素子３と、熱電素子３を受熱体４に押し付けて固定する固定機構５とを備えた熱電ユニットにおいて、固定機構５に、熱電素子３を受熱体４に押し付ける面圧を調整するための面圧調整機構１２を備えたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に臨むように設けられた受熱フィンを有する受熱体と、該受熱体の背面に設けられた熱電素子と、該熱電素子を前記受熱体に押し付けて固定する固定機構とを備えた熱電ユニットにおいて、
前記固定機構に、前記熱電素子を前記受熱体に押し付ける面圧を調整するための面圧調整機構を備えたことを特徴とする熱電ユニット。
【請求項２】
前記排気通路に対向して前記受熱体を設けると共に、両受熱体の背面にそれぞれ前記熱電素子を設けてなり、
前記固定機構は、対向する前記熱電素子を上下から挟むように配置される２つの固定用平板と、両固定用平板を締結する複数の締結ボルトとからなり、
前記面圧調整機構は、前記各締結ボルトに組み込まれたスプリングからなる請求項１記載の熱電ユニット。
【請求項３】
前記熱電素子の前記受熱体と反対側の面に、前記熱電素子を冷却する冷却装置をそれぞれ設け、
前記固定機構は、前記冷却装置と前記熱電素子を前記受熱体に押し付けて固定するようにされる請求項１または２記載の熱電ユニット。
【請求項４】
前記受熱フィンが、多数の円形ピンからなり、該円形ピンを、偶数列と奇数列でオフセットさせて千鳥構造に配置してなる請求項１〜３いずれかに記載の熱電ユニット。
【請求項５】
前記受熱体は、前記円形ピンの前記偶数列と前記奇数列とが対向するように、前記排気通路に対向して設けられる請求項４記載の熱電ユニット。
【請求項６】
前記受熱体は、前記円形ピンがオーバラップするように、前記排気通路に対向して設けられる請求項４または５記載の熱電ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電素子を用いてエンジンの排気ガスから電気としてエネルギーを回収する熱電ユニットに係り、特に、振動や排気通路の熱膨張により熱電素子が破損することがなく、排気ガスの温度によらず規定の発電量を得ることが可能な熱電ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの高温の排気ガスから電気としてエネルギーを回収する熱電ユニットとしては、エンジンの排気通路（排気管）に設置され、熱電素子（熱電変換素子）の片面を受熱フィンを有する受熱体の背面に配置し、他面には冷却装置を配置する構造が一般的である。
【０００３】
熱電ユニットでは、排気ガスが熱電ユニットを通過する際に、受熱フィンで排気ガスから受熱し、その受熱した熱が受熱体から熱電素子の片面（高温接触面）に伝熱するようにされ、また他方の面（低温接触面）は冷却装置により冷却される。熱電ユニットでは、このような熱電素子の両面の温度差により起電力を得ている。
【０００４】
図６に示すように、従来の熱電ユニット６１は、エンジンの排気通路６２臨むように設けられた受熱フィン６３ａを有する受熱体６３を、排気通路６２に対向して設け、両受熱体６３の背面に、受熱体６３側を高温接触面として複数の熱電素子６４をそれぞれ設け、その熱電素子６４の受熱体６３と反対側の面（低温接触面）に冷却装置６５をそれぞれ設けて構成されている。
【０００５】
また、従来の熱電ユニット６１では、両冷却装置６５を上下から挟むように配置される２つの固定用平板６６と、両固定用平板６６を締結する複数の締結ボルト６７とからなる固定機構６８を備えており、この固定機構６８により、熱電素子６４を受熱体６３に所定の面圧で押し付けて固定している。このように、熱電素子６４にある一定の範囲内の面圧を確保してはじめて規定の発電量が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１９９７６２号公報
【特許文献２】特開平１１−３４０５２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、熱電ユニットにより得られる起電力は、熱電素子両面の温度差によることは周知であるが、エンジンの排気ガスの温度は、燃料負荷によって低温から高温まで様々であり、それによって熱電ユニット全体の温度分布、熱膨張率も変化する。
【０００８】
このため、従来の熱電ユニット６１では、低温の排気ガスを基準として熱電素子６４の面圧を設定した場合、排気ガスが高温となったときに、排気通路６２の熱膨張により熱電素子６４に過大な面圧が掛かり、熱電素子６４が破損するおそれがある。また、高温の排気ガスを基準として熱電素子６４の面圧を設定した場合、排気ガスが低温の状態では熱電素子６４の面圧が過小となり、規定の発電量を得られなくなるおそれがある。
【０００９】
さらに、従来の熱電ユニット６１では、ボルト締結のみのリジット機構であるため、車両の振動やエンジンの振動に起因して、熱電素子６４に過大な面圧が掛かるおそれがある。特に、熱電ユニット６１では、冷却装置６５と熱電素子６４とをまとめて固定機構６８により固定しているため、振動が発生すると、振動加速度により冷却装置６５等で倍増された衝撃を熱電素子６４が受け、熱電素子６４が破損してしまうおそれがある。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、振動や排気通路の熱膨張により熱電素子が破損することがなく、排気ガスの温度によらず規定の発電量を得ることが可能な熱電ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、エンジンの排気通路に臨むように設けられた受熱フィンを有する受熱体と、該受熱体の背面に設けられた熱電素子と、該熱電素子を前記受熱体に押し付けて固定する固定機構とを備えた熱電ユニットにおいて、前記固定機構に、前記熱電素子を前記受熱体に押し付ける面圧を調整するための面圧調整機構を備えた熱電ユニットである。
【００１２】
前記排気通路に対向して前記受熱体を設けると共に、両受熱体の背面にそれぞれ前記熱電素子を設けてなり、前記固定機構は、対向する前記熱電素子を上下から挟むように配置される２つの固定用平板と、両固定用平板を締結する複数の締結ボルトとからなり、前記面圧調整機構は、前記各締結ボルトに組み込まれたスプリングからなってもよい。
【００１３】
前記熱電素子の前記受熱体と反対側の面に、前記熱電素子を冷却する冷却装置をそれぞれ設け、前記固定機構は、前記冷却装置と前記熱電素子を前記受熱体に押し付けて固定するようにされてもよい。
【００１４】
前記受熱フィンが、多数の円形ピンからなり、該円形ピンを、偶数列と奇数列でオフセットさせて千鳥構造に配置してなってもよい。
【００１５】
前記受熱体は、前記円形ピンの前記偶数列と前記奇数列とが対向するように、前記排気通路に対向して設けられてもよい。
【００１６】
前記受熱体は、前記円形ピンがオーバラップするように、前記排気通路に対向して設けられてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、振動や排気通路の熱膨張により熱電素子が破損することがなく、排気ガスの温度によらず規定の発電量を得ることが可能な熱電ユニットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る熱電ユニットを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は排気方向正面から見た横断面図である。
【図２】図１の熱電ユニットで用いる受熱体を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はその２Ｂ−２Ｂ線断面図である。
【図３】図２の受熱体を対向させて排気通路を形成したときの図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は側断面図、（ｄ）は下面図である。
【図４】図１の熱電ユニットにおける排気ガスの流れを説明する図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側断面図である。
【図５】本発明の熱電ユニットが搭載される車両の排気システムの概略図である。
【図６】従来の熱電ユニットの排気方向正面から見た横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２０】
図１（ａ）は、本実施の形態に係る熱電ユニットの平面図であり、図１（ｂ）はその側面図、図１（ｃ）はその排気方向正面から見た横断面図である。
【００２１】
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、熱電ユニット１は、エンジンの排気通路２に臨むように設けられた受熱フィン８を有する受熱体４と、受熱体４の背面に設けられた熱電素子３と、熱電素子３を受熱体４に押し付けて固定する固定機構５とを備えたものであり、排気通路２を通過するエンジンからの排気ガスＧから受熱体４にて熱を受熱し、これを熱電素子３に伝達することにより、排気ガスＧの熱から電気を回収するものである。
【００２２】
本実施の形態では、排気通路２の対向する面（図１（ｃ）では上下面）を受熱体４で形成すると共に、それら受熱体４の両側を側板６で接合して排気通路２を形成するようにしている。受熱体４は、平板７に受熱フィン８としての円形ピン１５を形成したものである。受熱体４の詳細については後述する。
【００２３】
受熱体４の背面（排気通路２と反対側の面）には、高温接触面を受熱体４側として複数（図１では上下８個ずつ）の熱電素子３が配置される。熱電素子３の他方の面である低温接触面には、冷却装置（放熱側冷却装置）９がそれぞれ設けられる。図１では、熱電ユニット１の上部（あるいは下部）において排気方向に沿って２つの冷却装置９を設けているが、これらは共通として１つの冷却装置としてもよい。
【００２４】
熱電素子３は、低温接触面と高温接触面に温度差を与えると、ゼーベック効果により電圧を生じるものであり、一般にペルチェ素子、あるいはゼーベック素子と呼ばれるものである。
【００２５】
固定機構５は、対向する熱電素子３を上下から挟むように配置される２つの固定用平板１０と、両固定用平板１０を締結する複数（図１では６個）の締結ボルト１１とからなる。
【００２６】
本実施の形態では、固定機構５を、冷却装置９と熱電素子３を受熱体４に押し付けて固定するように構成した。すなわち、固定用平板１０を両冷却装置９を挟み込むように配置し、両固定用平板１０を各締結ボルト１１で締結するようにした。
【００２７】
図１では、冷却装置９を排気方向に沿って２つずつ設けたことに対応して、排気方向に沿って２つの固定機構５を設けているが、これらは共通として一つの固定機構としてもよい。
【００２８】
固定機構５には、熱電素子３を受熱体４に押し付ける面圧を調整するための面圧調整機構１２が設けられる。面圧調整機構１２は、各締結ボルト１１に組み込まれたスプリング（コイルスプリング）１３からなり、スプリング１３は、ホルダー１４に収容されガイドされた状態で各締結ボルト１１に組み込まれる。換言すると、両固定用平板１０を、ホルダー１４によりガイドされたスプリング１３と共に締結する。なお、スプリング１３の形状は、十分な変位を有する円板状などの板バネで構成してもよい。
【００２９】
固定機構５にスプリング１３を設けることで、熱電ユニット１に振動が加わったり、あるいは排気通路２が排気ガスＧの温度により熱膨張・熱収縮した場合でも、熱電素子３の面圧を規定範囲に保つことが可能となる。
【００３０】
次に、熱電ユニット１に用いる受熱体４について説明する。
【００３１】
図２（ａ），（ｂ）に示すように、受熱体４は、平板７と、平板７の表面から突出するように形成された、受熱フィン８としての多数の円柱状の円形ピン（円管）１５とからなる。
【００３２】
円形ピン１５は、平板７に整列して配置され、その偶数列と奇数列（あるいは偶数行と奇数行）でオフセットさせて千鳥構造に配置される。奇数列の円形ピン１５は、偶数列の円形ピン１５の中間に位置するようにオフセットして配置される。各円形ピン１５は、ロウ付け等により平板７に固定される。
【００３３】
本実施の形態では、受熱フィン８として円形ピン１５を用いたが、多角形状あるいは円筒状のピンを用いることも可能である。
【００３４】
図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、２枚の受熱体４を円形ピン１５の偶数列と奇数列とが対向するように、すなわち各円形ピン１５の位相が交互になるように向かい合わせ、向かい合わせた受熱体４の両側を側板６を以て接合し、排気通路２を形成する。
【００３５】
このとき、両受熱体４は、円形ピン１５がオーバラップするようにされる。具体的には、排気抵抗が上昇しない範囲で円形ピン１５が数ミリ〜数十ミリのオーバーラップｄを有した状態となるようにされる。これにより、円形ピン１５の上下にも排気通路２が形成される。
【００３６】
ここで、熱電ユニット１における排気ガスＧの流れを図４（ａ），（ｂ）を用いて説明する。
【００３７】
図４（ａ）に示すように、受熱体４の前面（図示左側）から流入した排気ガスＧは、１列目の円形ピン１５に衝突し、１列目の円形ピン１５の隙間を通過する。１列目の円形ピン１５の隙間を通過した排気ガスＧは、次なる千鳥状に配置した２列目の円形ピン１５に衝突して、さらに左右に流路を強制されることとなる。また、図４（ｂ）に示すように、排気ガスＧは、円形ピン１５のオーバーラップにより上下方向にも流路を強制されることとなる。
【００３８】
これにより、排気ガスＧは乱流を形成し、発生した乱流は、熱電ユニット１の後端（図示右側）まで持続することとなる。つまり、本実施の形態における受熱体４は、排気ガスＧに乱流を発生させる乱流熱伝達構造となっており、そのため、受熱体４は、排気ガスＧから積極的に受熱でき、受熱体４の熱伝達率は格段に上昇する。
【００３９】
したがって、両受熱体４の背面（図４（ｂ）では上側の受熱体４の上面及び下側の受熱体４の下面）に熱電素子３を配置することで、排気ガスＧの熱から効率的に電気を回収できることとなる。
【００４０】
本実施の形態に係る熱電ユニット１は、車両に搭載され、エンジンの排気通路２に配置される。図５に示すように、エンジンＥの排気通路２には、フレキシブルジョイント５１、触媒５２、サイレンサ（マフラー）５３等が配置されており、エンジンＥからの排気ガスＧはこれらを経由して大気中に排出される。熱電ユニット１は、例えば、サイレンサ５３の部分に設けられる。
【００４１】
本実施の形態の作用を説明する。
【００４２】
本実施の形態に係る熱電ユニット１では、固定機構５に、熱電素子３を受熱体４に押し付ける面圧を調整するための面圧調整機構１２を設けている。
【００４３】
面圧調整機構１２を設けることにより、エンジンＥの排気ガスＧの温度に因らず、熱電素子３の面圧を規定範囲に保つことが可能となり、低温から高温の排気ガスＧまで熱電素子３の適正な面圧の確保が、締結ボルト１１にスプリング１３からなる面圧調整機構１２を組み込むという簡単かつ低コストの構造で実現できる。
【００４４】
つまり、熱電ユニット１によれば、高温の排気ガスＧによる排気通路２の熱膨張により熱電素子３に過大な面圧が掛かることを防ぎ、熱電素子３の破損を防止でき、かつ、低温の排気ガスＧによる熱電素子３の面圧不足から規定の発電量を得られなくなることを防止できる。
【００４５】
さらに、熱電ユニット１では、スプリング１３からなる面圧調整機構１２を設けているため、車両の振動やエンジンの振動等、振動による熱電素子３への過大な衝撃をスプリング１３で緩衝することができ、熱電素子３の破損を防止することが可能となる。
【００４６】
したがって、熱電ユニット１によれば、振動や排気通路２の熱膨張により熱電素子３が破損することがなく、排気ガスＧの温度によらず規定の発電量を得ることが可能となる。
【００４７】
また、熱電ユニット１では、排気通路２内で対向する受熱フィン８を多数の円形ピン１５で形成し、その円形ピン１５を、偶数列と奇数列でオフセットさせて千鳥構造に配置している。
【００４８】
これにより、受熱体４に作用する排気ガスＧの流れを乱流とし、熱電ユニット１の後端まで持続することが可能となり、排気抵抗を上昇させることなく、排気ガスＧから積極的に受熱することが可能となり、乱流熱伝達構造を実現できる。したがって、熱伝達率を向上し、効率よく受熱、発電することが可能な熱電ユニット１を実現できる。
【００４９】
また、熱電ユニット１では、受熱体４の受熱フィン８として円形ピン１５を用いているため、排気ガスＧの流路が狭くなることがなく、排気抵抗の上昇を招くことがない。よって、エンジン性能を低下させない。
【００５０】
さらに、熱電ユニット１では、受熱体４を、円形ピン１５の偶数列と奇数列とが対向するように、かつ、円形ピン１５がオーバラップするように、排気通路２に対向して設けているため、排気ガスＧの流路を上下方向にも強制でき、乱流を発生させることができるため、より熱伝達率を向上し、より効率よく受熱、発電することが可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
１  熱電ユニット
２  排気通路
３  熱電素子
４  受熱体
５  固定機構
６  側板
７  平板
８  受熱フィン
９  冷却装置
１０  固定用平板
１１  締結ボルト
１２  面圧調整機構
１３  スプリング
１４  ホルダー
１５  円形ピン
【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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