(57)【要約】【課題】ケーシングによって密閉された熱電発電装置において、排気管路の熱膨張によって熱電素子ユニットが受ける応力や振動の緩和を、簡単な構造によって得ることができる熱電発電装置を提供する。【解決手段】自動車用熱電発電装置であって、自動車の排気管路に配設される高温側熱交換器と、内燃機関の冷却水を循環させる冷却水配管に配設される低温側熱交換器と、高温側熱交換器と低温側熱交換機とに挟まれて温度差により発電を行う熱電素子とからなる熱電素子ユニットにおいて、熱電素子ユニットは、排気管路に固定されるケーシング部材により覆われ、ケーシング部材内で、熱電素子ユニットの少なくとも下流側の排気管路に熱膨張吸収部を配設する。【選択図】図２
2010106755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の排気管路に配設される高温側熱交換器と、
内燃機関の冷却水を循環させる冷却水配管に配設される低温側熱交換器と、
上記高温側熱交換器と上記低温側熱交換機とに挟まれて温度差により発電を行う熱電素子とからなる熱電素子ユニットにおいて、
上記熱電素子ユニットは、上記排気管路に固定されるケーシング部材により覆われ、
上記ケーシング部材内で、上記熱電素子ユニットの少なくとも下流側の排気管路に熱膨張吸収部を配設することを特徴とする自動車用熱電発電装置。
【請求項２】
前記ケーシング部材内で、前記熱電素子ユニットの上流側の排気管路にも熱膨張吸収部を配設することを特徴とする請求項１に記載の自動車用熱電発電装置。
【請求項３】
前記熱膨張吸収部が、蛇腹部材により形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の自動車用熱電発電装置。
【請求項４】
前記ケーシング部材は、前記排気管路への溶接により密封されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の自動車用熱電発電装置。
【請求項５】
前記ケーシング部材内に、断熱材を配設することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の自動車用熱電発電装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の自動車用熱電発電装置であって、
前記排気管路は、複数並列に設けられ、
前記高温側熱交換器および前記熱電素子は、上記複数の排気管路のそれぞれに並列に設けられ、
単一の冷却水配管が、上記複数の熱電素子間を循環することによって、複数の熱電素子ユニットを構成することを特徴とする自動車用熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の排気ガスから得られる排熱を利用した熱電発電装置に係り、特に、熱電発電装置を構成する熱電発電ユニットとケーシングの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ｎ型半導体とｐ型半導体を用い、電極板を介して直列に接合した熱電素子が知られている。この熱電素子は、熱源と冷却手段のそれぞれに接触して、熱電素子に生じた温度差によって起電力が生じるゼーベック効果を利用したものであり、この熱電素子を応用して内燃機関の排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーとして回収する熱電発電装置が開示されている（例えば、特許文献１および２参照）。
【０００３】
このような熱電発電装置では、高温の自動車排気ガスが流通する排気管を熱源（高温側熱交換器）として熱電素子の高温側端面を接触させるとともに、内燃機関の冷却水を循環させる冷却水配管を冷却手段（低温側熱交換器）として熱電素子の低温側端面を接触させることによって温度差を生じさせ、発電を行っている。
【０００４】
また、各特許文献に開示されているように、熱電素子はｎ型半導体とｐ型半導体では発生する起電力の向きが逆であるため、これらを交互に直列に接合することで複数の熱電素子からなる熱電素子モジュールとし、複数の熱電素子に発生する起電力を合成して取り出すことができる。
【０００５】
熱電発電装置の例としては、高温側熱交換器および低温側熱交換器を偏平状に構成し、高温側熱交換器を両側から２つの低温側熱交換器で挟み、それぞれの側の高温側熱交換器と低温側熱交換器の間に熱電素子モジュールを配設し、さらにケーシングによって覆って固定するものが開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
しかしながら、熱電発電装置は、排気管路上に設ける必要上自動車の底部に搭載されるものであるので、上記のような熱電発電装置においては、走行時に風に曝されて熱エネルギーが失われ発電効率が低下したり、熱電素子や電気的接続構造部分への被水、泥はね、飛び石などによる損傷が問題となっていた。
【０００７】
これらの問題を解決することができる熱電発電装置として、熱電素子ユニット全体を、ケーシングにより完全に覆って固定する例が開示されている（例えば特許文献４参照）。このケーシングによれば、熱電素子ユニット全体が密封されるため、内部が保温されて発電効率を維持することができ、また、熱電素子ユニットを損傷から保護することができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−３１２０３５号公報
【特許文献２】特開２００２−３２５４７０号公報
【特許文献３】特開２００７−２２１８９５号公報
【特許文献４】特開２００６−８３７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の構成では、内部がケーシングにより保温断熱されることから、高温側熱交換器が配設される排気管路が熱膨張を起こしてしまう。このため、相対的に低温であるケーシングや熱電素子ユニットとの間に応力や振動が発生し、変形や破損の原因となっていた。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ケーシングによって密閉された熱電発電装置において、排気管路の熱膨張によって熱電素子ユニットが受ける応力や振動の緩和を、簡単な構造によって得ることができる熱電発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の自動車用熱電発電装置は、自動車の排気管路に配設される高温側熱交換器と、内燃機関の冷却水を循環させる冷却水配管に配設される低温側熱交換器と、高温側熱交換器と低温側熱交換機とに挟まれて温度差により発電を行う熱電素子とからなる熱電素子ユニットにおいて、熱電素子ユニットは、排気管路に固定されるケーシング部材により覆われ、ケーシング部材内で、熱電素子ユニットの少なくとも下流側の排気管路に熱膨張吸収部を配設することを特徴としている。
【００１２】
本発明では、熱電素子ユニットをケーシングにより保温し、排気管路を流れる高温の排気ガスの温度低下を抑制することで、熱電素子の温度差を維持し、発電効率を向上することができ、その高温化に伴う排気管路の熱膨張を吸収することで、熱電素子ユニットを装着する排気管路の変形を防止し、熱電素子ユニットの耐久性を向上させることができるため、好ましい。また、高温の排気ガスに曝される上流側の排気管路における熱膨張を、その排気流れ方向に沿う下流側の排気管路で吸収することにより、高温側熱交換器に流れる排気ガスの流れを乱すことが抑制されるため、好ましい。
【００１３】
本発明においては、ケーシング部材内で、熱電素子ユニットの上流側の排気管路にも熱膨張吸収部を配設することを好ましい態様としている。
【００１４】
本発明では、熱膨張吸収部が上流と下流の２箇所に分散しているため、熱電素子ユニットにおける膨張／収縮に伴う一方向の移動量が小さくなり、熱電素子ユニットに接続されケーシングから外部に取り出される電極や冷却水配管の移動量も小さくすることができ、ケーシング接続部におけるシール性を確保するとともに応力を緩和することができるため、好ましい。また、熱膨張吸収部自体の移動量も２箇所に分散して減少し、各々の熱膨張吸収部１２の負担が軽減されるという効果をも奏するため、好ましい。
【００１５】
本発明においては、熱膨張吸収部が蛇腹部材により形成されることを好ましい態様としている。
【００１６】
本発明では、例えばスライド式のような部材と比較して、排気管路内の排気ガスのシール性を確保して漏れを防止するとともに、構造も簡素化することができるあるため、好ましい。
【００１７】
本発明においては、ケーシング部材が排気管路への溶接により密封されることを好ましい態様としている。
【００１８】
本発明では、熱膨張部材によって変形が吸収されるため、ケーシングを溶接により排気管路へ強固に接合することが許容される。溶接によれば、ケーシングのシール性を確保することができるため、好ましい。
【００１９】
本発明においては、ケーシング部材内に断熱材を配設することを好ましい態様としている。
【００２０】
本発明では、断熱材を使用することによって、ケーシング外への放熱をさらに抑制することができ、排気管路内の高温の排気ガスの熱を効率良く熱電素子へ伝導でき、より発電効率を向上させることができるため、好ましい。
【００２１】
さらに、本発明においては、排気管路が複数並列に設けられ、高温側熱交換器および熱電素子が上記複数の排気管路のそれぞれに並列に設けられ、単一の冷却水配管が、複数の熱電素子間を循環することによって、複数の熱電素子ユニットを構成することも可能である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、熱電素子ユニットをケーシングにより保温し、排気管路を流れる高温の排気ガスの温度低下を抑制することで、熱電素子の温度差を維持し、発電効率を向上することができ、その高温化に伴う排気管路の熱膨張を吸収することで、熱電素子ユニットを装着する排気管路の変形を防止し、熱電素子ユニットの耐久性を向上させることができる。また、高温の排気ガスに曝される上流側の排気管路における熱膨張を、その排気流れ方向に沿う下流側の排気管路で吸収することにより、高温側熱交換器に流れる排気ガスの流れを乱すことが抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら、本発明の最良の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の熱電発電装置Ｇ、すなわち熱電素子ユニットがケーシング１０に封入された状態の外観を示す。熱電発電装置Ｇには、排気管１１および冷却水配管２０が貫通しており、排気ガスおよび内燃機関から循環する冷却水がそれぞれ破線の方向に供給され、後述のようにケーシング内で熱交換が行われる。符号３１は、熱電発電装置によって得られる電力を外部に取り出す電極である。
【００２４】
図２は、本発明の熱電発電装置Ｇにおいて、ケーシング１０の内部の熱電素子ユニットを露出させた部分透視図であり、図３および４は、それぞれ図２におけるＡ−Ａ線断面図およびＢ−Ｂ線断面図である。図２〜４に示すように、排気管１１は、ケーシング１０内部で偏平状に形成されており、偏平状部分において高温側熱交換器２２が配設されている。高温側熱交換器２２内にはスリット状の仕切りが形成されており、高温の排気ガスが流通する際に、排気ガスが持つ熱エネルギーが熱電素子３０に伝達される。
【００２５】
高温側熱交換器２２の上面と下面には、複数の熱電素子３０が電極板を介して接合されている。図中では省略されているが、熱電素子３０は、ｎ型半導体とｐ型半導体とからなり、それぞれ起電力が発生する方向が逆であるため、交互に直列に接続されており、これにより個々の熱電素子３０に発生する起電力を合成して、電極３１から取り出すことができる。
【００２６】
熱電素子３０の、高温側熱交換器２２と反対側端面には、内燃機関から循環する冷却水を流通させる冷却水配管２０が電極板を介して配置されている。冷却水配管２０も排気管１１と同様に、ケーシング１０内部で偏平状に形成されており、偏平状部分において低温側熱交換器２１が配設されている。低温側熱交換器２１内にもスリット状の仕切りが形成されており、低温の冷却水が流通する際に、接合されている熱電素子３０から熱エネルギーが伝達される。
【００２７】
以上の構成からなる熱電素子ユニットは、その全体がケーシング１０によって密封されて固定されている。ケーシング１０は、排気管１１に対して固定されているので、排気ガスと冷却水を流通させて熱電発電装置の発電を開始すると、排気管１１は、ケーシング１１より相対的に高温になるため、排気管１１に熱膨張が発生することとなる。これにより、熱電素子ユニットおよびケーシング１０に応力が加わり、変形や破損の原因となってしまう。本発明では、このような熱膨張による応力を緩和するため、排気管路１１において熱電素子ユニットの少なくとも下流側に熱膨張吸収部１２を配設することを特徴としている。
【００２８】
ここで、熱膨張吸収部１２を少なくとも下流側に設ける理由は、仮に上流側に設けた場合、下流側と比較して排気ガスの温度が高いため、熱膨張吸収部１２の変形による熱膨張吸収作用と、熱膨張吸収部１２自体に僅かに生じる熱膨張とが一部相殺されて、熱膨張吸収効果を減殺してしまうからである。熱膨張吸収部１２が下流側にあれば、排気ガスは相対的に低温であるため、そのような熱膨張吸収効果の減殺は抑制される。
【００２９】
この熱膨張吸収部１２は、例えば蛇腹部材からなり、動作時の排気管１１が高温の際は収縮して熱膨張を吸収し、非動作時の低温の際には伸長して元に戻るといった伸縮を繰り返す。これにより他の部分に応力が加わることを抑制することができる。このように蛇腹部材とすることで、排気管路内の排気ガスのシール性を確保して漏れを防止するとともに、構造も簡素化することができる。
【００３０】
ケーシング１０の排気管路１１への固定手段は、ネジ等の固定部材を用いる等、公知の方法であれば限定されないが、特に、溶接によってケーシング１０と排気管路１１を直接接合することが好ましい。従来の熱電発電装置においては、溶接によって完全に固定してしまった場合に排気管路の熱膨張による変形が問題となるため溶接を行うことは困難であったが、その問題は本発明の熱膨張吸収部によって抑制されるので、溶接による密封を許容することができ、ケーシングのシール性すなわち断熱性を確保することができる。
【００３１】
また、熱膨張吸収部１２は、ケーシング１０において、図２に示すように平面視三角形状とされる部位（立体的には円錐形状部位）に設けることが好ましい。熱膨張吸収部の近傍に位置する排気管路とケーシングの接合部位の剛性を、円錐形状とすることで円筒形状に比べて向上することができ、ケーシングの大型化を抑制することができる。
【００３２】
本発明の熱膨張吸収部１２は、図５に示すように、さらに熱電素子ユニットの上流側にも配設することもできる。このように、熱電素子ユニットの上下流に熱膨張吸収部１２を備えることで、熱電素子ユニットにおける一方向の移動量（膨張／収縮に伴う変化量）が小さくなり、熱電素子ユニットに接続されケーシングから外部に取り出される電極や冷却水配管の移動量も小さくすることができ、ケーシング接続部におけるシール性を確保するとともに応力を緩和することができる。また、熱膨張吸収部１２自体の移動量も２箇所に分散するため減少し、各々の熱膨張吸収部１２の負担が軽減されるという効果をも奏する。
【００３３】
本発明においては、排気ガスと冷却水の流れ方向は特に限定されず、高温側および低温側熱交換器内においてそれぞれが対向する流れあるいは同一方向の流れでもよく、また、直交方向に交わっても良い。これらの流れ方向は、効果上、大きな差異はないことが分かっている。
【００３４】
ケーシング１０から外部に取り出す必要のある電極３１および冷却水配管２０の配置は限定されないが、例えば図１において対向する側面に配置されている冷却水配管２０を同一側面に変更し、これらが同一側面に並設されていると、組み付け性が容易となり、好ましい。
【００３５】
本発明においては、ケーシング１０内部に断熱材を充填することが好ましい。断熱材を使用することによって、ケーシング外への放熱をさらに抑制することができ、排気管路内の高温の排気ガスの熱を効率良く熱電素子へ伝導でき、より発電効率を向上させることができる。
【００３６】
断熱材は例えば、グラスウール、アルミナ/シリカ系ウール及びペレット・チップ・粉末があげられる。  また断熱材を利用せずとも、ケーシング１０内部を真空にすることによって、ケーシング１０内部の断熱性を向上させることができる。ケーシング１０内部を真空にするためには、例えばケーシング１０にワンウェイバルブ（図示せず）を設置し、ケーシング１０内部の空気を吸い出すことによって、実施することもできる。
【００３７】
本発明においては、排気管路１１を複数並列に設け、それぞれに熱電素子ユニットを装着することもできる。その場合は、複数の排気管路１１を高温側熱交換器としてそれぞれに熱電素子を設けるが、熱電素子上に設ける低温側熱交換器は、単一の冷却水配管が複数の熱電素子ユニット間を巡るような態様とすることが好ましい。このような態様であれば、熱電発電装置を複数設けるにも関わらず、構造を簡素化することができるとともに、冷却水の一方向流の単純な流れによって、冷却水配管を複数分岐させて設けた場合と比較して、流動抵抗が増大することを抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
ケーシングの断熱効果により発電効率を向上させ、外的な損傷を防ぐことは勿論のこと、内部に発生する熱膨張による応力や振動を緩和し、結果として耐久性を向上させて長寿命化を達成することができる熱電発電装置を、簡単な構造によって得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態の熱電発電装置がケーシングに密封された状態の外観を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態の熱電発電装置の部分透視図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図２におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態の熱電発電装置を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
Ｇ…熱電発電装置、１０…ケーシング、１１…排気管路、１２…膨張吸収部（蛇腹部材）、２０…冷却水配管、２１…低温側熱交換器、２２…高温側熱交換器、３０…熱電素子、３１…電極。
【図１】
2010106755.tif 000003
【図２】
2010106755.tif 000004
【図３】
2010106755.tif 000005
【図４】
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【図５】
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