(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温側の熱媒体および高温側の熱媒体のうちいずれか一方の熱媒体を通す第１の熱媒体通路を形成するケースと、それぞれ内周側に前記低温側の熱媒体および高温側の熱媒体のうち他方の熱媒体を通す第２の熱媒体通路を形成するとともに外周側で前記一方の熱媒体に接触する複数の熱電発電ユニットと、を備え、
前記複数の熱電発電ユニットが、それぞれ前記第１の熱媒体通路の軸線方向に対して交差する方向に延在するよう前記第１の熱媒体通路中に設けられ、
前記複数の熱電発電ユニットのうち前記第１の熱媒体通路における前記一方の熱媒体の流れ方向において上流側に位置する第１の熱電発電ユニットと、該第１の熱電発電ユニットよりも下流側に位置する第２の熱電発電ユニットとは、前記第１の熱媒体通路の軸線方向で交差するよう配置され、
前記複数の熱電発電ユニットの各々が、前記第２の熱媒体通路を形成する内周壁面を有する内側の筒状伝熱部材と、該内側の筒状伝熱部材を取り囲むとともに前記第１の熱媒体通路中で前記一方の熱媒体に接触する外周壁面を有する外側の筒状伝熱部材と、前記内側の筒状伝熱部材および前記外側の筒状伝熱部材の間に介装された複数の熱電変換素子を含む熱電変換モジュールと、を有し、
前記内側の筒状伝熱部材は、その外周部分において少なくとも複数の内側の電極が形成され、前記複数の内側の電極同士を電気的に絶縁する電気絶縁性を有し、前記外側の筒状伝熱部材は、その内周部分において少なくとも複数の外側の電極が形成され、前記複数の外側の電極同士を電気的に絶縁する電気絶縁性を有していることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
前記第１の熱電発電ユニットおよび前記第２の熱電発電ユニットのうち少なくとも一方の熱電発電ユニットが、前記第１の熱媒体通路における前記一方の熱媒体の流れ方向において上流側から下流側に向けて傾斜するよう配置さ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】
前記複数の熱電発電ユニットの各々が、当該熱電発電ユニットの外周側で前記第２の熱媒体通路の軸線方向に沿って互いに離間する複数のフィンを有し、該複数のフィンが、前記第１の熱媒体通路における前記一方の熱媒体の流れ方向に沿った向きに設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温側の熱媒体と低温側の熱媒体とを通しつつ両熱媒体の温度差を利用して熱電発電する熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高温熱源と低温熱源の間に複数の熱電変換素子を配置して熱電発電する熱電発電装置として、例えば、内燃機関の排気ガスによる排熱を電気エネルギーに変換しつつ回収する排熱回収型の熱電発電装置が知られている。
【０００３】
このような熱電発電装置としては、例えば、排気ガスを通す内管とこの内管を取り囲む放熱フィン付きの外殻とをそれぞれ扁平に形成し、内管および外殻の間に熱電変換素子を扁平にモジュール化したものを挟持させたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、モジュール化した複数の熱電変換素子を内蔵する筒状の熱電発電ユニットを排気ガスの流れ方向に対して垂直に配置し、各熱電発電ユニットの内部に冷却水を通すようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−０３６９８１号公報
【特許文献２】特表２０１２−５３３９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の特許文献１に記載されるような従来の熱電発電装置にあっては、複数の熱電発電ユニットを排気ガスの流れ方向に対して平行に配置した場合、排気ガスは熱電発電ユニットの外面に沿って流動するため、排気ガスの流れが層流になり易い。排気ガスの流れが層流になると、その排気ガスの一部が、熱電発電ユニットの吸熱部、すなわち、熱電発電ユニットの高温側の端面に当たり難くなり、あるいはその高温側の端面に接触しない可能性がある。
【０００７】
そのため、熱電発電ユニットの吸熱部における熱伝達効率が低下し、排熱回収型の熱電発電装置における熱回収効率、すなわち、熱電発電装置の効率（発電効率、エネルギー回収効率）が低下してしまう可能性があった。
【０００８】
これに対し、上述の特許文献２に記載されるような、複数の熱電発電ユニットを排気ガスの流れ方向に対して垂直に配置する形態とすれば、排気ガスが熱電発電ユニットの吸熱部に当たり易くなるため、排気ガスの流れ方向と平行に配置する形態と比べると、熱電発電ユニットにおける熱伝達効率を高めることが可能である。
【０００９】
しかしながら、複数の熱電発電ユニットを排気ガスの流れ方向に対して垂直に配置する形態では、排気ガスの流速が比較的大きくなると、各熱電発電ユニットの上流側外周壁面を通過した排気ガスが外周壁面から離反し易くなり、排気ガスが各熱電発電ユニットの下流側外周壁面に沿って流れ難くなる。
【００１０】
特に、排気ガスの流れ方向において上流側から見て各熱電発電ユニットが同一平面上に重なるように並列配置された場合、排気ガスの流速が比較的大きくなると、排気ガスは、各熱電発電ユニットの下流側外周壁面だけでなく、その下流側の熱電発電ユニットの上流側外周壁面に沿っても流れ難くなる。
【００１１】
そのため、排気ガスが熱電発電ユニットの吸熱部と十分に接触せず、熱電発電ユニットにおける熱伝達効率が相対的に低下し、熱電発電装置における熱回収効率が低下してしまう可能性があった。
【００１２】
本発明は、上述のような従来の課題を解決するためになされたもので、複数の熱電発電ユニットの吸熱部における熱伝達効率を高め、全体として熱回収効率を向上させ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】
【００１３】
本発明に係る熱電発電装置は、上記目的を達成するため、（１）低温側の熱媒体および高温側の熱媒体のうちいずれか一方の熱媒体を通す第１の熱媒体通路を形成するケースと、それぞれ内周側に前記低温側の熱媒体および高温側の熱媒体のうち他方の熱媒体を通す第２の熱媒体通路を形成するとともに外周側で前記一方の熱媒体に接触する複数の熱電発電ユニットと、を備え、前記複数の熱電発電ユニットが、それぞれ前記第１の熱媒体通路の軸線方向に対して交差する方向に延在するよう前記第１の熱媒体通路中に設けられ、前記複数の熱電発電ユニットのうち前記第１の熱媒体通路における前記一方の熱媒体の流れ方向において上流側に位置する第１の熱電発電ユニットと、該第１の熱電発電ユニットよりも下流側に位置する第２の熱電発電ユニットとは、前記第１の熱媒体通路の軸線方向で交差するよう配置され、前記複数の熱電発電ユニットの各々が、前記第２の熱媒体通路を形成する内周壁面を有する内側の筒状伝熱部材と、該内側の筒状伝熱部材を取り囲むとともに前記第１の熱媒体通路中で前記一方の熱媒体に接触する外周壁面を有する外側の筒状伝熱部材と、前記内側の筒状伝熱部材および前記外側の筒状伝熱部材の間に介装された複数の熱電変換素子を含む熱電変換モジュールと、を有し、前記内側の筒状伝熱部材は、その外周部分において少なくとも複数の内側の電極が形成され、前記複数の内側の電極同士を電気的に絶縁する電気絶縁性を有し、前記外側の筒状伝熱部材は、その内周部分において少なくとも複数の外側の電極が形成され、前記複数の外側の電極同士を電気的に絶縁する電気絶縁性を有しているものから構成されている。
【００１４】
本発明に係る熱電発電装置は、第１の熱電発電ユニットと第２の熱電発電ユニットとが第１の熱媒体通路（例えば、排気ガス通路）における一方の熱媒体（例えば、排気ガス）の流れ方向に対して交差し、かつ、第１の熱媒体通路の軸線方向で交差するよう配置されているので、排気ガスの流動が妨げられ、第１、第２の各熱電発電ユニットの下流側外周壁面近傍で排気ガスが渦を巻くような流れとなり、その部分での排気ガスの流れに乱れが生じる（乱流の発生）。
【００１５】
すなわち、第１、第２の各熱電発電ユニットは排気ガスの流れ方向の上流側から見て同一平面状に重なるように並列配置されていないので、排気ガスの流速が大きくなった場合でも、第１の熱電発電ユニットの下流側外周壁面近傍に発生した乱流によって、その下流側に位置する第２の熱電発電ユニットの上流側外周壁面に排気ガスをより確実に当てることができる。これにより、第２の熱電発電ユニットの吸熱部における熱伝達効率を高めることができ、熱電発電装置の発電性能を向上させることができる。
【００１６】
したがって、本発明に係る熱電発電装置は、複数の熱電発電ユニットの吸熱部における熱伝達効率を高め、全体として熱回収効率を向上させることができる。さらに、本発明に係る熱電発電装置は、内側の筒状伝熱部材および外側の筒状伝熱部材とともに複数の熱電変換素子をモジュール化した熱電発電ユニットを、ケースに対し装着の容易なカートリッジとして構成することができる。
【００１７】
上記（１）に記載の熱電発電装置において、（２）前記第１の熱電発電ユニットおよび前記第２の熱電発電ユニットのうち少なくとも一方の熱電発電ユニットが、前記第１の熱媒体通路における前記一方の熱媒体の流れ方向において上流側から下流側に向けて傾斜するよう配置されているものであってもよい。
【００１８】
本発明に係る熱電発電装置は、第１の熱電発電ユニットおよび第２の熱電発電ユニットのうち少なくとも一方の熱電発電ユニットが第１の熱媒体通路（例えば、排気ガス通路）において上流側から下流側に向けて傾斜しているので、一方の熱媒体（例えば、排気ガス）が当該熱電発電ユニットの延在方向の壁面に沿って排気ガス通路の外周側から内周側に向かって流動し易い構造となっている。これにより、排気ガス通路の外周近傍を流動している排気ガスを排気ガス通路の内周方向へ導くことができ、外周方向で流動していた排気ガスの排熱回収効率を向上させることができる。
【００１９】
上記（１）または（２）に記載の熱電発電装置において、（３）前記複数の熱電発電ユニットの各々が、当該熱電発電ユニットの外周側で前記第２の熱媒体通路の軸線方向に沿って互いに離間する複数のフィンを有し、該複数のフィンが、前記第１の熱媒体通路における前記一方の熱媒体の流れ方向に沿った向きに設けられているものであってもよい。
【００２０】
本発明に係る熱電発電装置は、複数の熱電発電ユニットの各々に複数のフィンが設けられているので、複数のフィンを介して各熱電発電ユニットと一方の熱媒体（例えば、排気ガス）との間で熱交換を行う面積（伝熱面積）を増やすことができる。これにより、複数の熱電発電ユニットの外周壁面における熱伝達効率がより高くなり、発電効率が高くなることで、熱電発電装置全体として熱回収効率をさらに向上させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、複数の熱電発電ユニットの吸熱部における熱伝達効率を高め、全体として熱回収効率を向上させることができる熱電発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る熱電発電装置の第１の実施形態を示す図であり、熱電発電装置のケース内に配置された複数の熱電発電ユニットの横断面を含む概略構成を示す図である。
【図２】本発明に係る熱電発電装置の第１の実施形態を示す図であり、（ａ）は、熱電発電装置の要部の概略構成を示す斜視図であり、（ｂ）は、熱電発電装置における複数の熱電発電ユニットを排気ガスの流れ方向において上流側から見た正面図である。
【図３】本発明に係る熱電発電装置の第１の実施形態を示す図であり、カートリッジ化した筒状の熱電発電ユニットの構成を示す縦断面図である。
【図４】本発明に係る熱電発電装置の第１の実施形態を示す図であり、図３のＡ−Ａ線に沿って見たときの熱電発電ユニットの横断面図である。
【図５】本発明に係る熱電発電装置の第２の実施形態を示す図であり、熱電発電装置における熱電発電ユニットの横断面図である。
【図６】本発明に係る熱電発電装置の第３の実施形態を示す図であり、（ａ）は、熱電発電装置における複数の熱電発電ユニットの一配置例を模式的に示す図であり、（ｂ）は、熱電発電装置における複数の熱電発電ユニットの他の配置例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る熱電発電装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２６】
（第１の実施形態）
図１ないし図４は、本発明の第１の実施形態に係る熱電発電装置の構成を示している。
【００２７】
本実施形態に係る熱電発電装置は、高温熱源として、自動車等の車両に搭載される内燃機関（以下、単に「エンジン」という。）の排気ガスを用い、低温熱源として、エンジンの冷却水等の冷却媒体（必ずしも水に限定されず、低温熱源として好適な冷却剤）を用いるものである。
【００２８】
この熱電発電装置は、高温熱源と低温熱源との間に複数の熱電変換素子を介在させ、これら複数の熱電変換素子を熱的には並列に、電気的には直列に接続して熱電発電することにより、エンジンの排気ガスによる排熱を電気エネルギーに変換しつつ回収する排熱回収機能を有している。
【００２９】
高温熱源は、本発明に係る低温側の熱媒体および高温側の熱媒体のうちいずれか一方の熱媒体としての高温側の熱媒体を構成し、低温熱源は、本発明に係る低温側の熱媒体および高温側の熱媒体のうち他方の熱媒体としての低温側の熱媒体を構成する。高温側の熱媒体とは、低温側の熱媒体を第１の熱媒体としたときに、この第１の熱媒体よりも高温にある第２の熱媒体をいう。
【００３０】
まず、本実施形態に係る熱電発電装置の構成について説明する。
【００３１】
図１に示すように、本実施形態に係る熱電発電装置１０は、図示しない車両走行駆動用のエンジンから排出された排気ガスＧが導入されるケース１１を備えており、このケース１１は、第１の熱媒体通路としての排気ガス通路１２を有している。
【００３２】
ケース１１は、図示しないエンジンの排気管１に取り付けられた排気ガス制御弁２をバイパスするバイパス管３の一部を構成しており、排気ガス制御弁２によって排気通路１ａの一部が絞られるとき、高温側の熱媒体である排気ガスＧの一部が排気ガス通路１２内に流入するようになっている。
【００３３】
排気ガス制御弁２は、低温側の熱媒体であるエンジンの冷却水Ｗを導入し、その冷却水Ｗの温度に応じて排気制御弁体２ａを回動させるサーモスタットタイプのものである。
【００３４】
なお、ケース１１がバイパス管３の一部でなく排気管１の一部であってもよいし、排気ガス制御弁２がアクチュエータや形状記憶合金等を用いた他方式のものであってもよいことはもちろんである。
【００３５】
ケース１１は、両端が開口した筒状の本体部Ｐ１と、本体部Ｐ１の一方の開口端に接合された排気ガス導入部Ｐ２と、本体部Ｐ１の他方の開口端に接合された排気ガス排出部Ｐ３と、を備えている。ケース１１の本体部Ｐ１は、図２に示すように、その断面形状が正六角形となるように形成されている。
【００３６】
また、ケース１１の排気ガス導入部Ｐ２は、本体部Ｐ１の一方の開口端から、排気ガス通路１２における排気ガスＧの流れ方向において上流側に向かってその断面積が徐々に小さくなるテーパ状に形成された部分を有しており、このテーパ状に形成された部分を介して上流側の断面形状が例えば円形となるように形成されている。
【００３７】
同様に、ケース１１の排気ガス排出部Ｐ３は、本体部Ｐ１の他方の開口端から、排気ガス通路１２における排気ガスＧの流れ方向において下流側に向かってその断面積が徐々に小さくなるテーパ状に形成された部分を有しており、このテーパ状に形成された部分を介して下流側の断面形状が例えば円形となるように形成されている。
【００３８】
本実施形態に係る熱電発電装置１０においては、排気ガス通路１２を形成するケース１１の本体部Ｐ１の断面形状を正六角形としているが、断面形状はこれに限定されず、他の多角形（四角形、八角形等）や、円形、楕円形等であってもよい。
【００３９】
ケース１１の本体部Ｐ１の内部には、図１、図２に示すように、排気ガス通路１２の軸線方向（図中Ｘ方向）に対して交差する方向に筒状の複数の熱電発電ユニット１３が延在するよう配置されている。具体的には、複数の熱電発電ユニット１３は、それぞれ排気ガス通路１２における排気ガスＧの流れ方向と直交する面（図中、Ｙ方向およびＺ方向を含む平面）内で、排気ガス通路１２を形成するケース１１の周壁面１１ｓに向かう方向に延在するよう設けられている。また、熱電発電ユニット１３は、その両端１３ａ，１３ｂがケース１１の周壁面１１ｓの対向する面に位置するように設けられている。
【００４０】
複数の熱電発電ユニット１３は、図２に示すように、本実施形態では３つのグループ、すなわち、第１グループの熱電発電ユニット１３Ａ、第２グループの熱電発電ユニット１３Ｂ、および第３グループの熱電発電ユニット１３Ｃに分かれて配置されている。各熱電発電ユニット１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、それぞれ２つの熱電発電ユニット１３をグループとして含み、これら２つの熱電発電ユニット１３は、排気ガス通路１２における排気ガスＧの流れ方向と直交する同一平面上で等間隔に離間して平行配置されている。
【００４１】
また、第１グループの熱電発電ユニット１３Ａ、第２グループの熱電発電ユニット１３Ｂ、および第３グループの熱電発電ユニット１３Ｃは、排気ガス通路１２における排気ガスＧの流れ方向において上流側から下流側に向かってこの順に、排気ガス通路１２の軸線方向に沿って離間して排気ガス通路１２中に設けられている。
【００４２】
各グループの熱電発電ユニット１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃのうち、排気ガスＧの流れ方向において最上流側に位置する第１グループの熱電発電ユニット１３Ａは、本発明に係る第１の熱電発電ユニットを構成する。この場合、第２グループの熱電発電ユニット１３Ｂまたは第３グループの熱電発電ユニット１３Ｃが、本発明に係る第２の熱電発電ユニットを構成する。また、上流側に位置する第２グループの熱電発電ユニット１３Ｂが本発明に係る第１の熱電発電ユニットを構成する場合、その下流側に位置する第３グループの熱電発電ユニット１３Ｃが、本発明に係る第２の熱電発電ユニットを構成する。
【００４３】
また、排気ガス通路１２の軸線方向に離間して配置される各グループの熱電発電ユニット１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、図２（ｂ）に示すように排気ガスＧの流れ方向において上流側から見たときに、各熱電発電ユニット１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの両端１３ａ，１３ｂが、排気ガス通路１２を形成するケース１１の周方向に互いに所定角度θずつずれるように配置されている。つまり、各グループの熱電発電ユニット１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、排気ガス通路１２の軸線方向で交差するよう配置されている。
【００４４】
具体的には、各グループの熱電発電ユニット１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、排気ガスＧの流れ方向において最上流側に位置する第１グループの熱電発電ユニット１３Ａとその下流側に位置する第２グループの熱電発電ユニット１３Ｂとがケース１１の周方向に６０°ずれ、第２グループの熱電発電ユニット１３Ｂとその下流側に位置する第３グループの熱電発電ユニット１３Ｃとが同じ周方向に６０°ずれ、第３グループの熱電発電ユニット１３Ｃとその下流側に位置する第１グループの熱電発電ユニット１３Ａとが同じ周方向に６０°ずれるように配置されている。
【００４５】
なお、図１の例では、ケース１１内の複数の熱電発電ユニット１３の配置を見易くするため、各グループの熱電発電ユニット１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃのうち第１グループの熱電発電ユニット１３Ａのみを代表的に示している。
【００４６】
本実施形態に係る熱電発電装置１０は、複数の熱電発電ユニット１３が３つのグループに分けられているが、４つ以上のグループに分かれるよう構成してもよい。この場合も同様に、４つ以上の各グループの熱電発電ユニットは、排気ガス通路１２の軸線方向に沿って離間して排気ガス通路１２中に設けられるとともに、排気ガスＧの流れ方向の上流側から見て排気ガス通路１２を形成するケース１１の周方向に互いに所定角度ずつ（例えば、６つのグループに分かれていれば３０°ずつ）ずれるように配置される。
【００４７】
また、本実施形態に係る熱電発電装置１０は、各グループの熱電発電ユニット１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃがそれぞれ２つの熱電発電ユニット１３を含んでいるが、３つ以上の熱電発電ユニット１３をグループとして含むように構成してもよい。あるいは、各グループの熱電発電ユニット１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃがそれぞれ１つの熱電発電ユニット１３を含むように構成してもよい。
【００４８】
第１グループ、第２グループ、第３グループの各熱電発電ユニット１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを構成する複数の熱電発電ユニット１３は、後述する熱電変換モジュール３５同士を電気的に接続する素子リード線３８等の電気配線に介して相互に接続されるとともに、図示しないバッテリ充電回路に接続されている。これにより、複数の熱電発電ユニット１３は、排気ガスによる排熱から回収した電気エネルギーをバッテリに蓄えることができるようになっている。
【００４９】
図３および図４に示すように、熱電発電ユニット１３は、内側の筒状伝熱部材３２と、外側の筒状伝熱部材３３と、内側の筒状伝熱部材３２および外側の筒状伝熱部材３３の間に介装された複数の熱電変換素子３４ａ，３４ｂを含む熱電変換モジュール３５と、を備えている。
【００５０】
内側の筒状伝熱部材３２は、その内部に第２の熱媒体通路としての冷却媒体通路３１を有している。具体的には、内側の筒状伝熱部材３２は、その内部に冷却水Ｗを通す冷却媒体通路３１を形成する内周壁面３２ａを有しており、冷却媒体通路３１が軸線方向に延びる円筒状のパイプとなっている。
【００５１】
外側の筒状伝熱部材３３は、内側の筒状伝熱部材３２の外径より大きい径の内周壁面３３ａと、排気ガス通路１２中で排気ガスＧに接触する外周壁面３３ｂと、を有している。外側の筒状伝熱部材３３は、内側の筒状伝熱部材３２を外周側から取り囲むとともに内側の筒状伝熱部材３２の外周壁面３２ｂに対し所定の径方向離間距離を隔てるように、内側の筒状伝熱部材３２と同一中心軸線上に配置されている。
【００５２】
本実施形態においては、内側の筒状伝熱部材３２および外側の筒状伝熱部材３３の断面形状をそれぞれ円形としているが、断面形状はこれに限定されず、楕円形や長円形、四角形等の多角形であってもよい。
【００５３】
熱電変換モジュール３５は、高温側の端面を構成する図示しない受熱基板と、低温側の端面を構成する図示しない放熱基板と、ゼーベック効果により受熱基板と放熱基板との温度差に応じた起電力を発生するＮ型の熱電変換素子３４ａおよびＰ型の熱電変換素子３４ｂと、を備えている。受熱基板および補強基板は、例えば、絶縁セラミックスから構成され、Ｎ型の熱電変換素子３４ａおよびＰ型の熱電変換素子３４ｂは、半導体素子から構成されている。
【００５４】
熱電変換モジュール３５は、Ｎ型の熱電変換素子３４ａおよびＰ型の熱電変換素子３４ｂが複数対で構成され、Ｎ型の熱電変換素子３４ａおよびＰ型の熱電変換素子３４ｂがそれぞれ内側の電極３６ａおよび外側の電極３６ｂを介して周方向に直列に電気接続されることにより、構成されている。つまり、熱電変換モジュール３５は、各一対の熱電変換素子３４ａ，３４ｂが内側の電極３６ａまたは外側の電極３６ｂのいずれか１つとともにいわゆるπ型構造をなしている。
【００５５】
本実施形態に係る熱電発電装置１０においては、熱電変換素子３４ａ，３４ｂを熱電発電ユニット１３に搭載する形態としてπ型構造を採用しているが、必ずしもこれに限定されず、例えば、Ｙ型やＮ型等の構造を採用することも可能である。
【００５６】
また、Ｎ型およびＰ型の各熱電変換素子３４ａ，３４ｂは、内側の筒状伝熱部材３２および外側の筒状伝熱部材３３の周方向に等角度間隔に平行配置された棒状のものであり、それぞれの長さが排気ガス通路１２を形成するケース１１の外径（対向する周壁面１１ｓ間の長さ）に近い長さを有している。
【００５７】
本実施形態に係る熱電発電装置１０においては、熱電発電ユニット１３が、棒状の複数の熱電変換素子３４ａ，３４ｂを等角度間隔に平行配置した熱電変換モジュール３５を構成するものとしているが、この形態に限定されないことはもちろんである。
【００５８】
例えば、熱電発電ユニット１３が、それぞれ環状に形成したＮ型の熱電変換素子および筒状に形成したＰ型の各熱電変換素子を軸方向に交互に複数対配置するものであってもよい。また、複数の棒状または板状の熱電変換素子３４ａ，３４ｂを軸方向に複数に分割したりそれら分割体の配置を周方向にずらしたりできることはいうまでもない。
【００５９】
より具体的には、各熱電変換ユニット１３の低温部を構成する内側の筒状伝熱部材３２は、少なくとも複数の内側の電極３６ａに接する外周部分において、複数の内側の電極３６ａ同士を電気的に絶縁する電気絶縁性を有している。同様に、各熱電変換ユニット１３の高温部を構成する外側の筒状伝熱部材３３は、少なくとも複数の外側の電極３６ｂに接する内周部分において、複数の外側の電極３６ｂ同士を電気的に絶縁する電気絶縁性を有している。
【００６０】
また、図３、図４に示すように、熱電変換モジュール３５の配置空間である内側の筒状伝熱部材３２と外側の筒状伝熱部材３３との間の円筒状の空間Ｓは、一対の環状閉止部材３７ａ，３７ｂによって閉止されており、その内部に熱電変換モジュール３５の酸化劣化防止剤として例えば不活性ガスが封入されている。
【００６１】
一対の環状閉止部材３７ａ，３７ｂは、外側の筒状伝熱部材３３の軸方向両端側に突出しており、ケース１１の側板部１１ａに形成された取付穴部１１ｂに気密に固定支持されている。
【００６２】
すなわち、本実施形態に係る熱電発電ユニット１３は、一対の環状閉止部材３７ａ，３７ｂを介して内側の筒状伝熱部材３２の外周側の両端近傍部分と外側の筒状伝熱部材３３の内周側の両端近傍部分とが接合された構造を有している。この構造において、内側の筒状伝熱部材３２の両端および外側の筒状伝熱部材３３の両端は、本発明に係る熱電発電ユニットの両端を構成する。
【００６３】
また、熱電発電ユニット１３は、図３に示すように、その外周側で冷却媒体通路３１の軸線方向（図中Ｚ方向）に沿って互いに離間する複数のフィン４１を有している。複数のフィン４１は、排気ガス通路１２（図２参照）における排気ガスＧの流れ方向（図２中Ｘ方向）に沿った向きに設けられている。
【００６４】
より具体的には、複数のフィン４１は、それぞれ外側の筒状伝熱部材３３から放射外方に一定高さで突出する円環板状のもので、熱電発電ユニット１３の外周側で冷却媒体通路３１の軸線方向に互いに離間するよう平行配置されている。これら複数のフィン４１は、排気ガス通路１２中を流れる排気ガスＧからの熱伝達により排気ガスの熱を吸収しつつ、高温側の受熱材である外側の筒状伝熱部材３３に効率よく熱伝導する吸熱フィンとしての機能を有している。
【００６５】
複数の熱電発電ユニット１３の冷却媒体通路３１には、例えば、排気ガス制御弁２（図１参照）を通過した冷却水Ｗもしくはエンジンからの冷却水Ｗが、図示しない冷却剤配管を通して導入されるようになっている。
【００６６】
例えば、ケース１１に、少なくとも側板部１１ａによって排気ガス通路１２から仕切られた冷却水タンクを併設し、この冷却水タンクによって複数の熱電発電ユニット１３の冷却媒体通路３１に冷却水Ｗを分配するようにしてもよい。
【００６７】
また、排気ガスＧの流れ方向において最下流に位置する冷却媒体通路３１に最初に冷却水Ｗが通水され、排気ガスＧの流れ方向において最上流に位置する冷却媒体通路３１からエンジン側あるいはラジエータ側に冷却水が戻るようにしてもよい。
【００６８】
次に、作用について説明する。
【００６９】
上述のように構成された本実施形態の熱電発電装置１０においては、筒状の複数の熱電発電ユニット１３がそれぞれ排気ガス通路１２の軸線方向に対して交差する方向に延在するよう配置され、かつ、各熱電発電ユニット１３の両端１３ａ，１３ｂが排気ガス通路１２を形成するケース１１の周方向に互いに所定角度θずつずれるように配置されているので、排気ガス通路１２内での排気ガスＧの流動が妨げられ、各熱電発電ユニット１３の下流側外周壁面近傍で排気ガスＧが渦を巻くような流れとなり、その部分での排気ガスＧの流れに乱れが生じる（乱流の発生）。
【００７０】
すなわち、各熱電発電ユニット１３は、図２（ｂ）に示すように排気ガスＧの流れ方向の上流側から見て同一平面上に重なるように配置されていないので、排気ガスＧの流速が大きくなった場合でも、相対的に上流側に位置する熱電発電ユニット１３の下流側外周壁面近傍に発生した乱流によって、その下流側に位置する熱電発電ユニット１３の上流側外周壁面に排気ガスＧをより確実に当てることができる。
【００７１】
これにより、排気ガス通路１２における排気ガスＧの流れ方向において相対的に下流側に位置する熱電発電ユニット１３の上流側外周壁面に当たる排気ガスＧの量を、上流側で発生させた乱流によって増大させることができる。その結果、相対的に下流側に位置する熱電発電ユニット１３の吸熱部（すなわち、熱電変換ユニット１３の高温部を構成する外側の筒状伝熱部材３３）における熱伝達効率を高めることができ、熱電発電装置１０の発電性能を向上させることができる。
【００７２】
このように、本実施形態に係る熱電発電装置１０は、複数の熱電発電ユニット１３の吸熱部における熱伝達効率を高め、全体として熱回収効率を向上させることができる。
【００７３】
また、本実施形態に係る熱電発電装置１０は、複数の熱電発電ユニット１３の各々に複数のフィン４１が設けられているので、複数のフィン４１を介して各熱電発電ユニット１３の外側の筒状伝熱部材３３と排気ガスＧとの間で熱交換を行う面積（伝熱面積）を増やすことができる。これにより、複数の熱電発電ユニット１３の外周壁面における熱伝達効率がより高くなり、発電効率が高くなることで、熱電発電装置１０全体として熱回収効率をさらに向上させることができる。
【００７４】
また、本実施形態に係る熱電発電装置１０は、内側の筒状伝熱部材３２および外側の筒状伝熱部材３３とともに複数の熱電変換素子３４ａ，３４ｂをモジュール化した熱電発電ユニット１３を、ケース１１に対する装着が容易なカートリッジとして構成することができる。これにより、熱電発電ユニット１３の積載効率を十分に高めることができ、熱電発電装置１０の製造時の組立作業等の容易化を図ることもできる。
【００７５】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る熱電発電装置における熱電発電ユニットの構成を示している。
【００７６】
上述した第１の実施形態では、各熱電発電ユニット１３の断面形状を円筒状のものとしたが（図４参照）、この第２の実施形態では、熱電変換モジュールをその両面から挟み込む内側の筒状伝熱部材および外側の筒状伝熱部材の断面形状を矩形もしくは長円形としている点で相違する。
【００７７】
図５に示すように、本実施形態に係る熱電発電ユニット５０は、その断面形状が上述した第１の実施形態と相違するものの、他の部分を含めた全体構成は、第１の実施形態と実質的に同一である。よって、第１の実施形態と同一である構成については、図１ないし図４中の対応する構成要素と同一の参照符号を用いつつ、本実施形態と第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００７８】
図５に示すように、熱電発電ユニット５０は、内側の筒状伝熱部材５２と、外側の筒状伝熱部材５３と、内側の筒状伝熱部材５２および外側の筒状伝熱部材５３の間に介装された複数の熱電変換素子５４ａ，５４ｂを含む熱電変換モジュール５５と、を備えている。
【００７９】
内側の筒状伝熱部材５２は、その内部に第２の熱媒体通路としての冷却媒体通路５１を有している。具体的には、内側の筒状伝熱部材５２は、その内部に冷却水を通す冷却媒体通路５１を形成する内周壁面５２ａを有しており、冷却媒体通路３１が軸線方向（図中Ｚ方向）に延びる長円形断面を有するパイプとなっている。
【００８０】
外側の筒状伝熱部材５３は、内側の筒状伝熱部材５２の外径より大きい径の内周壁面５３ａと、排気ガス通路１２中で排気ガスＧに接触する外周壁面５３ｂと、を有している。外側の筒状伝熱部材５３は、内側の筒状伝熱部材５２を外周側から取り囲むとともに内側の筒状伝熱部材５２の外周壁面５２ｂに対し所定の径方向離間距離を隔てるように、内側の筒状伝熱部材５２と同一中心軸線上に配置されている。
【００８１】
熱電変換モジュール５５は、高温側の端面を構成する図示しない受熱基板と、低温側の端面を構成する図示しない放熱基板と、ゼーベック効果により受熱基板と放熱基板との温度差に応じた起電力を発生するＮ型の熱電変換素子５４ａおよびＰ型の熱電変換素子５４ｂと、を備えている。上述した第１の実施形態と同様に、受熱基板および補強基板は、絶縁セラミックスから構成され、Ｎ型の熱電変換素子５４ａおよびＰ型の熱電変換素子５４ｂは、半導体素子から構成されている。
【００８２】
また、熱電変換モジュール５５は、Ｎ型の熱電変換素子５４ａおよびＰ型の熱電変換素子５４ｂが複数対で構成され、Ｎ型の熱電変換素子５４ａおよびＰ型の熱電変換素子５４ｂがそれぞれ内側の電極５６ａおよび外側の電極５６ｂを介して周方向に直列に電気接続されることにより、構成されている。
【００８３】
また、熱電発電ユニット５０は、図５に示すように、その外周側で冷却媒体通路３１の軸線方向（図中Ｚ方向）に互いに離間する複数のフィン６１を有している。複数のフィン６１は、排気ガス通路１２（図２参照）における排気ガスＧの流れ方向（図中Ｘ方向）に沿った向きに設けられている。具体的には、複数のフィン６１は、略長方形断面を有する外側の筒状伝熱部材５３の上下方向（図中Ｙ方向）に対向する面から外方にそれぞれ一定高さで突出する長方形板状のものであり、上述した第１の実施形態と同様に、吸熱フィンとしての機能を有している。
【００８４】
上述のように構成された第２の実施形態に係る熱電発電装置は、熱電発電ユニット５０の断面形状が上述した第１の実施形態と相違するものの、複数の熱電発電ユニット１３の排気ガス通路１２における配置態様は第１の実施形態と同一であるので、第１の実施形態の場合と同様の作用効果を奏することができる。
【００８５】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係る熱電発電装置における熱電発電ユニットの構成を示している。
【００８６】
上述した第１の実施形態では、複数の熱電発電ユニット１３を排気ガス通路１２における排気ガスＧの流れ方向に対して直交する方向に配置したが（図１、図２参照）、この第３の実施形態では、複数の熱電発電ユニット１３を排気ガス通路１２における排気ガスＧの流れ方向において上流側から下流側に向けて傾斜するよう配置した点で相違する。
【００８７】
図６（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す熱電発電装置１０Ａ、１０Ｂは、それぞれ複数の熱電発電ユニット１３の排気ガス通路１２における配置態様が上述した第１の実施形態と相違するものの、他の部分を含めた全体構成は、第１の実施形態と実質的に同一である。よって、第１の実施形態と同一である構成については、図１ないし図４中の対応する構成要素と同一の参照符号を用いつつ、本実施形態と第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００８８】
図６（ａ）に示す熱電発電装置１０Ａは、複数の熱電発電ユニット１３が、排気ガス通路１２における排気ガスＧの流れ方向において上流側から下流側に向けて、すべて同じ向きに所定角度θ１だけ傾斜するよう配置されている。一方、図６（ｂ）に示す熱電発電装置１０Ｂは、複数の熱電発電ユニット１３が、排気ガス通路１２における排気ガスＧの流れ方向において上流側から下流側に向けて、所定個数毎に交互に反対側の向きに所定角度θ２だけ傾斜するよう配置されている。
【００８９】
なお、図６に示す例では、ケース１１内の複数の熱電発電ユニット１３の配置を見易くするため、各グループの熱電発電ユニット１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ（図２参照）のうち第１グループの熱電発電ユニット１３Ａのみを代表的に示している。
【００９０】
また、図６に示す例では、複数の熱電発電ユニット１３のすべてが排気ガスＧの流れ方向の上流側から下流側に向けて傾斜するよう配置しているが、これに限定されず、複数の熱電発電ユニット１３のうち少なくとも一部の熱電発電ユニットのみが傾斜するよう配置してもよい。具体的には、各グループの熱電発電ユニット１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃのうち第１グループの熱電発電ユニット１３Ａのみを傾斜させ、第２グループ、第３グループの各熱電発電ユニット１３Ｂ，１３Ｃについては、上述した第１の実施形態と同様に排気ガス通路１２における排気ガスＧの流れ方向に対して直交する方向に配置したままとしてもよい。
【００９１】
このように構成された第３の実施形態に係る熱電発電装置１０Ａ，１０Ｂは、各熱電発電ユニット１３が排気ガス通路１２において上流側から下流側に向けて傾斜して配置されていることで、排気ガスＧが熱電発電ユニット１３の延在方向の壁面に沿って排気ガス通路１２の外周側から内周側に向かって流動し易い構造となっている。
【００９２】
したがって、第３の実施形態に係る熱電発電装置１０Ａ，１０Ｂは、排気ガス通路１２の外周近傍を流動している排気ガスＧを排気ガス通路１２の内周方向へ導くことができるので、上述した第１の実施形態の場合と比べて、外周方向で流動していた排気ガスＧの排熱回収効率をより一層向上させることができる。
【００９３】
なお、上述した各実施形態においては、ケース１１内に高温側の熱媒体通路である排気ガス通路１２が形成され、その排気ガス通路１２の軸線方向に対して交差する方向に延在するよう排気ガス通路１２中に配置された複数の熱電発電ユニット１３の内部に低温側の熱媒体通路である冷却媒体通路３１が形成されている場合について説明を行ってきた。
【００９４】
しかし、排気ガス通路１２と冷却媒体通路３１との配置関係を上述した各実施形態の場合と逆にしてもよい。すなわち、ケース１１内に低温側の熱媒体通路である冷却媒体通路が形成され、その冷却媒体通路に対し軸交差するように配置された複数の熱電発電ユニット１３の内部に高温側の熱媒体通路である排気ガス通路が形成されるようにしてもよい。また、高温側の熱媒体がエンジンの排気ガスに限定されず、低温側の熱媒体が冷却水に限定されないことはいうまでもない。
【００９５】
また、上述した各実施形態においては、各熱電発電ユニット１３を構成する外側の筒状伝熱部材の内側に１つの内部通路（内側の筒状伝熱部材）を設けた場合について説明したが、この形態に限らず、各熱電発電ユニット１３内に複数の内部通路が形成されていてもよい。
【００９６】
また、各熱電発電ユニット１３は必ずしも真直ぐなものである必要はなく、湾曲した形状であってもよい。要は、各熱電発電ユニット１３が排気ガス通路１２の軸線方向に対して交差する方向に延在するよう排気ガス通路１２中に設けられていれば十分である。
【００９７】
以上説明したように、本発明に係る熱電発電装置は、複数の熱電発電ユニットの吸熱部における熱伝達効率を高め、全体として熱回収効率を向上させることができるという効果を有し、高温側の熱媒体と低温側の熱媒体とを通しつつ両熱媒体の温度差を利用して熱電発電する熱電発電装置全般に有用である。
【符号の説明】
【００９８】
１…排気管、３…バイパス管、１０，１０Ａ，１０Ｂ…熱電発電装置、１１…ケース、１１ａ…側板部、１１ｂ…取付穴部、１１ｓ…周壁面、１２…排気ガス通路（第１の熱媒体通路）、１３…熱電発電ユニット、１３Ａ…第１グループの熱電発電ユニット（第１の熱電発電ユニット）、１３Ｂ…第２グループの熱電発電ユニット（第２の熱電発電ユニットまたは第１の熱電発電ユニット）、１３Ｃ…第３グループの熱電発電ユニット（第２の熱電発電ユニット）、１３ａ，１３ｂ…両端、３１…冷却媒体通路（第２の熱媒体通路）、３２…内側の筒状伝熱部材、３２ａ…内周壁面、３３…外側の筒状伝熱部材、３３ｂ…外周壁面、３４ａ，３４ｂ…熱電変換素子、３５…熱電変換モジュール、３６ａ…内側の電極、３６ｂ…外側の電極、３７ａ，３７ｂ…環状閉止部材、３８…素子リード線、４１…フィン、５０…熱電発電ユニット、６１…フィン
【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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