(57)【要約】【課題】エンジン回転数の低い領域や低負荷領域など排気ガス流量の少ない領域であっても、排気ガスの流速を低下させず起電力を得ることが可能な熱電ユニットを提供する。【解決手段】排気通路２を分割して２つの分割排気通路６ａ，６ｂを形成すると共に、分割排気通路６ａ，６ｂに熱電素子３と受熱フィン４とを設け、かつ、排気通路２に、分割排気通路６ａ，６ｂを迂回する分岐管７を設け、エンジンの回転数と負荷とに応じて、エンジンからの排気ガスＧの流路を、分割排気通路６ａ，６ｂの両方を通して下流側に排気する並列流路と、一方の分割排気通路６ａ、他方の分割排気通路６ｂ、分岐管７を順次通して下流側に排気する直列流路とで切り替える流路切替手段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複数の熱電素子を設け、その熱電素子の受熱フィンを前記排気通路内に臨ませた熱電ユニットにおいて、
前記排気通路を分割して２つの分割排気通路を形成すると共に、該分割排気通路に前記熱電素子と受熱フィンとを設け、かつ、前記排気通路に、前記分割排気通路を迂回する分岐管を設け、
前記エンジンの回転数と負荷とに応じて、前記エンジンからの排気ガスの流路を、前記分割排気通路の両方を通して下流側に排気する並列流路と、前記分割排気通路の一方、前記分割排気通路の他方、前記分岐管を順次通して下流側に排気する直列流路とで切り替える流路切替手段を備えたことを特徴とする熱電ユニット。
【請求項２】
前記流路切替手段は、
前記分岐管の上流側を開閉し、開のときに前記分割排気通路の他方とその上流側の前記排気通路間を遮断すると共に、前記分岐管と前記分割排気通路の他方とを連通させる第１の弁体と、
前記分割排気通路の下流側、かつ前記分岐管と前記排気通路の下流側の接続部よりも上流側の前記排気通路に設けられ、前記排気通路を開閉する第２の弁体と、
前記エンジンの回転数または負荷が大きいときは、前記第１の弁体を閉、前記第２の弁体を開として、前記並列流路を形成し、前記エンジンの回転数または負荷が小さいときは、前記第１の弁体を開、前記第２の弁体を閉として、前記直列流路を形成する制御手段とを備える請求項１記載の熱電ユニット。
【請求項３】
前記受熱フィンを、前記排気通路内で対向するように設けると共に、対向する前記受熱フィン間を接続する仕切り板を設けて、前記排気通路を前記分割排気通路に分割する請求項１または２記載の熱電ユニット。
【請求項４】
前記仕切り板は、前記受熱フィンの幅方向中央部に設けられる請求項３記載の熱電ユニット。
【請求項５】
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３または４記載の熱電ユニット。
【請求項６】
前記受熱フィンは、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５記載の熱電ユニット。
【請求項７】
前記受熱フィンは、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５または６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、エンジン回転数・負荷によって変化する排気ガス流量に対応して流路を切り替え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フィン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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
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、十分な起電力を得るためには、高温の排気ガスから如何に効率よく受熱するかがポイントとなる。
【０００６】
受熱量は、排気ガスから受熱フィンへの熱伝達率と排気ガスの温度に影響され、このうち熱伝達率は、排気ガスの流速に支配される。したがって、排気ガス流量の少ない領域、すなわち、エンジン回転数の低い領域や低負荷領域では、排気ガスの流速が遅くなってしまうため、熱伝達率が低下してほとんど起電力が得られないという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、エンジン回転数の低い領域や低負荷領域など排気ガス流量の少ない領域であっても、排気ガスの流速を低下させず起電力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】
【０００８】
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複数の熱電素子を設け、その熱電素子の受熱フィンを前記排気通路内に臨ませた熱電ユニットにおいて、前記排気通路を分割して２つの分割排気通路を形成すると共に、該分割排気通路に前記熱電素子と受熱フィンとを設け、かつ、前記排気通路に、前記分割排気通路を迂回する分岐管を設け、前記エンジンの回転数と負荷とに応じて、前記エンジンからの排気ガスの流路を、前記分割排気通路の両方を通して下流側に排気する並列流路と、前記分割排気通路の一方、前記分割排気通路の他方、前記分岐管を順次通して下流側に排気する直列流路とで切り替える流路切替手段を備えた熱電ユニットである。
【０００９】
前記流路切替手段は、前記分岐管の上流側を開閉し、開のときに前記分割排気通路の他方とその上流側の前記排気通路間を遮断すると共に、前記分岐管と前記分割排気通路の他方とを連通させる第１の弁体と、前記分割排気通路の下流側、かつ前記分岐管と前記排気通路の下流側の接続部よりも上流側の前記排気通路に設けられ、前記排気通路を開閉する第２の弁体と、前記エンジンの回転数または負荷が大きいときは、前記第１の弁体を閉、前記第２の弁体を開として、前記並列流路を形成し、前記エンジンの回転数または負荷が小さいときは、前記第１の弁体を開、前記第２の弁体を閉として、前記直列流路を形成する制御手段とを備えてもよい。
【００１０】
前記受熱フィンを、前記排気通路内で対向するように設けると共に、対向する前記受熱フィン間を接続する仕切り板を設けて、前記排気通路を前記分割排気通路に分割してもよい。
【００１１】
前記仕切り板は、前記受熱フィンの幅方向中央部に設けられてもよい。
【００１２】
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。
【００１３】
前記受熱フィンは、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。
【００１４】
前記受熱フィンは、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】
【００１５】
本発明によれば、エンジン回転数の低い領域や低負荷領域など排気ガス流量の少ない領域であっても、排気ガスの流速を低下させず起電力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】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱電ユニットを示す図であり、（ａ）はエンジンの回転数または負荷が大きい場合の平面図、（ｂ）はエンジンの回転数または負荷が小さい場合の平面図、（ｃ）は側断面図である。
【図２】図１の熱電ユニットで用いる受熱フィンを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はその２Ｂ−２Ｂ線断面図である。
【図３】図２の受熱フィン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】排気ガスの流路面積による、排気ガス流速、熱伝達率、熱通過率、熱通過量、熱電素子の温度差、理論発電量への影響を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
図１（ａ），（ｂ）は、本実施の形態に係る熱電ユニットの平面図、図１（ｃ）はその縦断面図である。
【００１９】
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（排気管）２に複数の熱電素子３を設け、その熱電素子３の受熱フィン４を排気通路２内に臨ませたものであり、排気通路２を通過するエンジンからの排気ガスＧから受熱フィン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。
【００２０】
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）を受熱フィン４で形成すると共に、それら受熱フィン４の両側を側板８で接合して排気通路２を形成するようにしている。受熱フィン４は、平板９にフィンとしての円形ピン１０を形成したものである。受熱フィン４の詳細については後述する。
【００２１】
受熱フィン４の背面（排気通路２と反対側の面）には、高温接触面を受熱フィン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）１１が設けられる。なお、図１（ａ），（ｂ）では、図の簡略化のため、冷却装置１１を省略している。
【００２２】
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。
【００２３】
本実施の形態に係る熱電ユニット１は、排気通路２を仕切り板５により分割して２つの分割排気通路６ａ，６ｂを形成すると共に、それら分割排気通路６ａ，６ｂに熱電素子３と受熱フィン４とを設け、かつ、排気通路２に、分割排気通路６ａ，６ｂを迂回する分岐管７を設けてなる。
【００２４】
仕切り板５は、対向する受熱フィン４間を接続するように排気方向に沿って設けられ、この仕切り板５により排気通路が断面方向で分割されて、分割排気通路６ａ，６ｂが形成される。仕切り板５は、受熱フィン４の幅方向中央部に設けられる。仕切り板５は、ロウ付け等により受熱フィン４（平板９）に固定される。
【００２５】
また、熱電ユニット１は、エンジンの回転数と負荷とに応じて、エンジンからの排気ガスＧの流路を、分割排気通路６ａ，６ｂの両方を通して下流側に排気する並列流路と、一方の分割排気通路６ａ、他方の分割排気通路６ｂ、分岐管７を順次通して下流側に排気する直列流路とで切り替える流路切替手段１２を備えている。
【００２６】
流路切替手段１２は、分岐管７の上流側（分岐管７と排気通路２の上流側の接続部）に設けられた第１の弁体１３と、分割排気通路６ａ，６ｂの下流側、かつ分岐管７と排気通路２の下流側の接続部よりも上流側の排気通路２に設けられた第２の弁体１４と、両弁体１３，１４を開閉して排気ガスＧの流路を切り替える図示しない制御手段とを備えている。
【００２７】
第１の弁体１３は、分岐管７の上流側を開閉し、開のときに他方の分割排気通路６ｂとその上流側の排気通路２間を遮断すると共に、分岐管７と他方の分割排気通路６ｂとを連通させるようにされる。第２の弁体１４は、分割排気通路６ａ，６ｂの下流側の排気通路２を開閉するようにされる。両弁体１３，１４は、エアシリンダーや油圧シリンダー等の使用、リンク機構などにより実現される。
【００２８】
制御手段は、エンジンの回転数または負荷が大きいとき、すなわち、排気ガスＧの流量が十分大きい領域では、図１（ａ）に示すように、第１の弁体１３を閉、第２の弁体１４を開として、エンジンからの排気ガスＧを、分割排気通路６ａ，６ｂの両方を通して下流側に排気する並列流路を形成する。このとき、排気ガスＧは分割排気通路６ａ，６ｂを平行して流れる。
【００２９】
また、制御手段は、エンジンの回転数または負荷が小さいとき、すなわち、排気ガスＧの流量が小さい領域では、図１（ｂ）に示すように、第１の弁体１３を開、第２の弁体１４を閉として、エンジンからの排気ガスＧを、一方の分割排気通路６ａ、他方の分割排気通路６ｂ、分岐管７を順次通して下流側に排気する直列流路を形成する。このとき、排気ガスＧは、一方の分割排気管６ｂを通過した後、折り返して他方の分割排気管６ｂを通過し、さらに分岐管７を通過して排気管２に合流する。
【００３０】
これにより、低エンジン回転時あるいは低負荷時、すなわち排気ガスＧの流量が小さい領域であっても、排気ガスＧの流路面積を半分程度に絞ることができ、排気ガスＧの流速を高く保つことが可能となる。したがって、高い熱伝達率を保ち、排気熱エネルギーから最大限の発電力を得ることが可能となる。なお、排気ガスＧの流量が小さいため、排気ガスＧの流路面積を絞ったことによる排気抵抗の上昇はない。
【００３１】
制御手段は、例えば、車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ）に搭載される。制御手段は、例えば、エンジンの回転数とエンジンの負荷とを監視し、これらが予め設定されたしきい値より高いか、あるいは低いかを判定して、排気ガスＧの流路を切り替える。制御手段は、エンジンの回転数とエンジンの負荷とから排気ガスＧの流量を算出し、その排気ガスＧの流量が予め設定されたしきい値より高いか、あるいは低いかを判定して、排気ガスＧの流路を切り替えるようにしてもよい。
【００３２】
次に、熱電ユニット１に用いる受熱フィン４について説明する。
【００３３】
図２（ａ），（ｂ）に示すように、受熱フィン４は、平板９と、平板９の表面から突出するように形成された、フィンとしての多数の円柱状の円形ピン（円管）１０とからなる。
【００３４】
円形ピン１０は、平板９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１０は、偶数列の円形ピン１０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１０は、ロウ付け等により平板９に固定される。
【００３５】
本実施の形態では、フィンとして円形ピン１０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。
【００３６】
図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、２枚の受熱フィン４を円形ピン１０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１０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フィン４の両側を側板８を以て接合し、排気通路２を形成する。
【００３７】
このとき、両受熱フィン４は、円形ピン１０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１０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１０の上下にも排気通路２が形成される。
【００３８】
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。
【００３９】
図４（ａ）に示すように、受熱フィン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１０に衝突し、１列目の円形ピン１０の隙間を通過する。１列目の円形ピン１０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１０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１０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。
【００４０】
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フィン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、受熱フィン４は、排気ガスＧから積極的に受熱でき、受熱フィン４の熱伝達率は格段に上昇する。
【００４１】
したがって、両受熱フィン４の背面（図４（ｂ）では上側の受熱フィン４の上面及び下側の受熱フィン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。
【００４２】
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。
【００４３】
本実施の形態の作用を説明する。
【００４４】
本実施の形態に係る熱電ユニット１では、排気通路２を分割して２つの分割排気通路６ａ，６ｂを形成すると共に、分割排気通路６ａ，６ｂに熱電素子３と受熱フィン４とを設け、かつ、排気通路２に、分割排気通路６ａ，６ｂを迂回する分岐管７を設け、エンジンＥの回転数と負荷とに応じて、排気ガスＧの流路を、分割排気通路６ａ，６ｂを通して下流側に排気する並列流路と、一方の分割排気通路６ａ、他方の分割排気通路６ｂ、分岐管７を順次通して下流側に排気する直列流路とで切り替える流路切替手段１２を備えている。
【００４５】
これにより、エンジンＥの回転数または負荷が大きいとき（排気ガスＧの流量が十分大きい領域）は、並列流路を形成して排気ガスＧの流路面積を大きくし、エンジンＥの回転数または負荷が小さいとき（排気ガスＧの流量が小さい領域）は、直列流路を形成して排気ガスＧの流路面積を小さくすることができる。
【００４６】
図６に示すように、排気ガスＧの流路面積を減少させると、排気ガスＧの流速（排ガス流速）が高くなり、これにより、熱伝達率、熱通過率、熱通過量、熱電素子３の両面での温度差（素子温度差）、理論発電量が向上する。
【００４７】
本実施の形態では、排気ガスＧの流量が大きいときに排気ガスＧの流路面積を大きく、排気ガスＧの流量が小さいときに排気ガスＧの流路面積を小さくしているため、排気ガスＧの流量（あるいはエンジンＥの回転数や負荷）の大小に関わらず、排気ガスＧの流速を高く、受熱フィン４における熱伝達率を高く保つことが可能となる。
【００４８】
したがって、エンジン回転数の低い領域や低負荷領域など、排気ガスＧの流量の少ない領域であっても、排気ガスＧの流速を低下させず起電力を得ることが可能となり、低流量から大流量までの全域で発電量を得ることができる。換言すれば、排気ガス流量の少ない領域（流速の遅い条件；低エンジン回転時あるいは低負荷時）においても、排気ガスＧからの熱伝達率を低下させることなく、最大限の発電電力を引き出すことができる。
【００４９】
また、熱電ユニット１では、排気ガスＧの流量が小さいときに、排気ガスＧの流路面積を小さくするようにしているため、排気抵抗の上昇を招くことなく、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、排気通路２内で対向する受熱フィン４を多数の円形ピン１０で形成し、その円形ピン１０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。
【００５１】
これにより、受熱フィン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。
【００５２】
また、熱電ユニット１では、受熱フィン４のフィンとして円形ピン１０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。
【００５３】
さらに、熱電ユニット１では、受熱フィン４を、円形ピン１０の偶数列と奇数列とが対向するように、かつ、円形ピン１０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】
【００５４】
１  熱電ユニット
２  排気通路
３  熱電素子
４  受熱フィン
５  仕切り板
６ａ，６ｂ  分割排気通路
７  分岐管
８  側板
９  平板
１０  円形ピン
１１  冷却装置
１２  流路切替手段
１３  第１の弁体
１４  第２の弁体
【図１】
2010275975.tif 000003
【図２】
2010275975.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010275975.tif 000008