(57)【要約】【課題】  発電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。【解決手段】  熱電発電装置１は、排気通路２を通る排気ガスの熱を回収する熱交換フィン部８を有する複数の熱交換器５と、熱交換フィン部８で回収された熱を電気に変換する複数の熱電変換モジュール６とを備えている。排気通路２内には、排気ガスを導入させる通路１６を形成する導入管部材１７が配設されている。導入管部材１７は、外側管部１８と、外側管部１８の内側に配置された内側管部１９とを有し、外側管部１８の端部１８ａの内面と内側管部１９の端部１９ａの外面との間には、エンジンの負荷に応じて外側管部１８に対する内側管部１９の相対位置を変更させるスプリング２０が設けられている。外側管部１８にはガス供給窓２１Ａ〜２１Ｃ及びガスバイパス窓２２が設けられ、内側管部１９にはガス供給窓２３Ａ〜２３Ｃ及びガスバイパス窓２４が設けられている。【選択図】  図１
2006214350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出される排気ガスの熱を利用して発電を行う熱電発電装置において、
前記排気ガスが通る第１通路と、
前記第１通路を通る前記排気ガスの熱を回収する熱交換部と、
前記熱交換部で回収された熱を電気に変換する複数の熱電変換部と、
前記第１通路内に配置され、前記内燃機関からの前記排気ガスを導入させる第２通路を形成する導入管部材と、
前記第２通路に導入された前記排気ガスを、前記熱交換部における前記各熱電変換部に対応する位置に選択的に供給するように制御するガス流路制御手段とを備えることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
前記導入管部材は、外側管部と、前記外側管部の内側に配置された内側管部とを有し、
前記ガス流路制御手段は、前記内燃機関の負荷に応じて前記外側管部に対する前記内側管部の相対位置を変更させる変位設定手段と、前記外側管部における前記各熱電変換部に対応する位置に設けられた複数の第１ガス供給窓と、前記外側管部に対する前記内側管部の相対位置に応じて前記各第１ガス供給窓に対して選択的に重なり合うように前記内側管部に設けられた複数の第２ガス供給窓とを有することを特徴とする請求項１記載の熱電発電装置。
【請求項３】
前記ガス流路制御手段は、前記外側管部における前記熱交換部よりも排気下流側の位置に設けられた第１ガスバイパス窓と、前記内側管部が前記外側管部に対して初期位置にあるときに、前記第１ガスバイパス窓に対して重なり合うように前記内側管部に設けられた第２ガスバイパス窓とを更に有し、
前記複数の第２ガス供給窓は、前記内側管部が前記外側管部に対して初期位置にあるときに、対応する前記第１ガス供給窓よりも排気上流側に位置するように設けられていることを特徴とする請求項２記載の熱電発電装置。
【請求項４】
前記変位設定手段は、前記外側管部の排気下流側端部の内面と前記内側管部の排気下流側端部の外面との間に設けられ、前記内燃機関の負荷に応じて収縮するスプリングであることを特徴とする請求項２または３記載の熱電発電装置。
【請求項５】
前記変位設定手段は、前記内側管部を前記外側管部に対して相対移動させるアクチュエータと、前記内燃機関の負荷に応じて前記アクチュエータを制御する手段とを有することを特徴とする請求項２または３記載の熱電発電装置。
【請求項６】
前記第１ガス供給窓と前記第２ガス供給窓とが重なり合う領域が、前記熱交換部における前記熱電変換部に対応する領域よりも小さいことを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項記載の熱電発電装置。
【請求項７】
前記ガス流路制御手段は、前記内燃機関の負荷が高くなるに従って、前記熱交換部において前記排気ガスが供給される箇所が増えるように、前記排気ガスの流れを制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の熱電発電装置。
【請求項８】
前記熱電変換部は、前記第２通路に導入される前記排気ガスの流れ方向に沿って複数配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の熱電発電装置。
【請求項９】
前記熱電変換部は、前記第２通路に導入される前記排気ガスの流れ方向の回りに沿って複数配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項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、内燃機関から排出される排気ガスの熱を利用して発電を行う熱電発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱電発電装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、複数の熱電変換モジュールと、各熱電変換モジュールの一面側に配置され、排気通路内を通る排気ガスの熱を回収する熱交換部と、各熱電変換モジュールの他面側に配置され、熱電変換モジュールを冷却する冷却部とを有し、熱電変換モジュールの一面側（高温側）と他面側（低温側）との温度差に応じた熱電効果によって発電を行うものが知られている。
【特許文献１】特開２００４−２１１６６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、排気ガスを排気通路の上流側から下流側に向けて一様に流すだけでは、エンジンの負荷（排気ガスのエネルギー）によっては全ての熱電変換モジュールを効率良く使うことができず、高い発電効率を得ることが困難になる可能性がある。
【０００４】
本発明の目的は、発電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である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガスの熱を利用して発電を行う熱電発電装置において、排気ガスが通る第１通路と、第１通路を通る排気ガスの熱を回収する熱交換部と、熱交換部で回収された熱を電気に変換する複数の熱電変換部と、第１通路内に配置され、内燃機関からの排気ガスを導入させる第２通路を形成する導入管部材と、第２通路に導入された排気ガスを、熱交換部における各熱電変換部に対応する位置に選択的に供給するように制御するガス流路制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００６】
このような熱電発電装置において、例えば内燃機関の負荷が低く、排気熱の温度が低い場合には、ガス流路制御手段によって、第２通路に導入された排気ガスが熱交換部における必要最小限の熱電変換部に対応する位置に供給されるようにする。このとき、熱交換部により回収された排気熱が必要最小限の熱電変換部に伝導され、当該熱電変換部により発電が行われる。一方、内燃機関の負荷が高く、排気熱の温度が高い場合には、ガス流路制御手段によって、第２通路に導入された排気ガスが熱交換部における多くの熱電変換部に対応する位置に供給されるようにする。このとき、熱交換部により回収された排気熱が多くの熱電変換部に伝導され、当該熱電変換部により発電が行われる。このように例えば内燃機関の負荷（排気熱温度）に応じて熱交換部への排気ガスの流れを制御し、発電に寄与させる熱電変換部の数を変えるので、内燃機関の負荷に係わらず全ての熱電変換部を効率良く使用することができる。これにより、熱電発電装置の発電効率を向上させることが可能となる。
【０００７】
好ましくは、導入管部材は、外側管部と、外側管部の内側に配置された内側管部とを有し、ガス流路制御手段は、内燃機関の負荷に応じて外側管部に対する内側管部の相対位置を変更させる変位設定手段と、外側管部における各熱電変換部に対応する位置に設けられた複数の第１ガス供給窓と、外側管部に対する内側管部の相対位置に応じて各第１ガス供給窓に対して選択的に重なり合うように内側管部に設けられた複数の第２ガス供給窓とを有する。
【０００８】
このような構成では、内燃機関の負荷に応じて外側管部に対する内側管部の相対位置が変わることで、外側管部の第１ガス供給窓と内側管部の第２ガス供給窓とが重なり合うと、内側管部内に導入された排気ガスが第２ガス供給窓及び第１ガス供給窓を通って外側管部の外部に流出されるようになる。従って、第１ガス供給窓及び第２ガス供給窓の位置や寸法等を適切に決めることで、熱交換部における熱電変換部に対応する位置に排気ガスを簡単且つ確実に供給することができる。
【０００９】
このとき、ガス流路制御手段は、外側管部における熱交換部よりも排気下流側の位置に設けられた第１ガスバイパス窓と、内側管部が外側管部に対して初期位置にあるときに、第１ガスバイパス窓に対して重なり合うように内側管部に設けられた第２ガスバイパス窓とを更に有し、複数の第２ガス供給窓は、内側管部が外側管部に対して初期位置にあるときに、対応する第１ガス供給窓よりも排気上流側に位置するように設けられていることが好ましい。
【００１０】
この場合、内燃機関の負荷が極めて低く、外側管部に対する内側管部の相対位置が初期位置から殆ど変わらない状態では、内側管部内に導入された排気ガスは、第２ガス供給窓及び第１ガス供給窓を通って熱交換部に供給されずに、第２ガスバイパス窓及び第１ガスバイパス窓を通って下流側に流れていく。このため、排気ガスの熱が熱交換部で奪われることは無いので、排気ガスは温度を保ったまま下流側に流れることになる。従って、例えば熱交換部よりも下流側に排気浄化触媒が配置されている場合には、排気ガスの熱によって排気浄化触媒を早期に暖めることができる。
【００１１】
変位設定手段は、外側管部の排気下流側端部の内面と内側管部の排気下流側端部の外面との間に設けられ、内燃機関の負荷に応じて収縮するスプリングであることが好ましい。この場合には、内燃機関の負荷が高くなるにつれて、排気ガスのエネルギー（排気圧力）が高くなり、この排気圧力によって内側管部が外側管部に対して排気下流側にスプリングを収縮させながら移動するようになる。これにより、１つのスプリングを設けるだけという極めて簡単な構造で、内燃機関の負荷に応じて外側管部に対する内側管部の相対位置を変更させることができる。
【００１２】
また、変位設定手段は、内側管部を外側管部に対して相対移動させるアクチュエータと、内燃機関の負荷に応じてアクチュエータを制御する手段とを有していても良い。この場合には、内燃機関の負荷を検出し、この検出値が高くなるに従って内側管部が外側管部に対して排気下流側に移動するようにアクチュエータを制御する。これにより、内側管部が外側管部に対して相対移動するときに、排気ガスにバネ反力等の余計な力が加わることは無いので、排気圧損上有利となる。
【００１３】
さらに、第１ガス供給窓と第２ガス供給窓とが重なり合う領域が、熱交換部における熱電変換部に対応する領域よりも小さいことが好ましい。これにより、内側管部に導入された排気ガスが第２ガス供給窓及び第１ガス供給窓を通って熱交換部に供給されるときに、排気ガスの流れが速くなるので、これに伴って熱交換部の熱回収率が高くなり、熱電変換部に対する熱伝達率が高くなる。従って、熱電発電装置の発電効率が更に向上する。
【００１４】
また、好ましくは、ガス流路制御手段は、内燃機関の負荷が高くなるに従って、熱交換部において排気ガスが供給される箇所が増えるように、排気ガスの流れを制御する。これにより、内燃機関の負荷が高くなるに従って、発電に寄与する熱電変換部の数が増えることになるので、内燃機関の負荷によらず全ての熱電変換部を確実に効率良く使用することができる。
【００１５】
さらに、好ましくは、熱電変換部は、第２通路に導入される排気ガスの流れ方向に沿って複数配置されている。この場合には、熱交換部における排気上流側及び排気下流側に位置する複数の熱電変換部に対応する位置に第２通路から排気ガスが供給されるときに、熱交換部の各位置に供給される排気ガスの温度はほぼ均一であるため、熱交換部の各位置の温度がほぼ均一になる。このため、熱交換部の上流側領域と下流側領域との温度差により生じる熱交換部の熱膨張差が小さくなるので、熱交換部に対する各熱電変換部の押し付け荷重のばらつきが抑えられる。従って、熱交換部から各熱電変換部にほぼ均等に熱伝達が行われ、各熱電変換部の高温側（熱交換部側）温度が均一化されるため、発電不良の発生を防止することができる。
【００１６】
また、好ましくは、熱電変換部は、第２通路に導入される排気ガスの流れ方向の回りに沿って複数配置されている。例えば内燃機関の負荷が高く、排気熱の温度が高い場合には、排気熱が複数の熱電変換部に分配されることになるが、この状態でも各熱電変換部の高温側（熱交換部側）は高温状態に維持されるため、所望の発電が得られる。一方、例えば内燃機関の負荷が低く、排気熱の温度が低い場合には、発電に寄与する熱電変換部を例えば１つだけとすることで、排気熱の分配による熱電変換部の高温側の温度低下が防止されるため、十分に発電が行える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、熱電発電装置の発電効率が高くなるので、熱電発電装置の性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係わる熱電発電装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
まず、本発明に係わる熱電発電装置の第１実施形態を図１〜図１０により説明する。図１は、本実施形態の熱電発電装置を示す断面図であり、図２は、図１のII−II線断面図である。
【００２０】
各図において、本実施形態の熱電発電装置１は、自動車等におけるエンジン（内燃機関）の排気系の任意箇所、例えば排気浄化触媒の上流側部分に配設される。熱電発電装置１は、図示しないエンジンから排出される排気ガスが通る排気通路２を形成する排気管３と、排気通路２を通る排気ガスの熱を利用して発電を行う複数の熱電ユニット４とを備えている。
【００２１】
熱電ユニット４は、排気通路２における排気ガスの流れ方向の回りに沿って複数（ここでは６つ）配置されている。また、これらの熱電ユニット４からなる熱電ユニット群が排気ガスの流れ方向に沿って複数列（ここでは３列）配置されている。各熱電ユニット４は、熱交換器５と、熱電変換モジュール６と、冷却水ケース７とを有している。
【００２２】
熱交換器５は、排気通路２を通る排気ガスの熱を回収する熱交換フィン部８と、この熱交換フィン部８の両側にそれぞれ設けられ、熱電ユニット４毎に排気通路２を区画する仕切壁９とを有している。熱交換フィン部８を構成する複数のフィンは、所定の間隔をもって平行に延びるように設けられている。熱交換器５は、アルミニウム、銅、ステンレス等といった熱伝導率の良い材料で形成されている。
【００２３】
排気ガスの流れ方向に隣り合う熱交換器５同士は結合され、排気ガスの流れ方向の回りに隣り合う熱交換器５同士も結合されている。このとき、熱交換器５の熱交換フィン部８で回収された排気ガスの熱が隣の熱交換器５に伝わらないように、例えば隣り合う熱交換器５間に断熱材を介在させた状態で熱交換器５同士を結合するのが望ましい。また、排気通路２の最も排気上流側に位置する熱交換器５と最も排気下流側に位置する熱交換器５は、排気管３に結合されている。
【００２４】
熱電変換モジュール６は、熱交換器５の熱交換フィン部８で回収された熱を電気に変換するものであり、熱交換器５上に載置されている。熱電変換モジュール６は、複数の熱電変換素子（例えばＢｉ２Ｔｅ３等からなるｐ型半導体及びｎ型半導体）を有している。熱電変換モジュール６は、熱交換器５側の端面（高温側端面）と熱交換器５の反対側（冷却水ケース７側）の端面（低温側端面）との間の温度差に応じて、ゼーベック効果による起電力を発生させる。
【００２５】
冷却水ケース７は、熱電変換モジュール６の低温側端面上に載置されている。冷却水ケース７には、熱電変換モジュール６の低温側端面を冷却するための冷却水が通る冷却水通路１０が設けられている。排気通路２の最も排気上流側に位置する冷却水ケース７の冷却水通路１０と最も排気下流側に位置する冷却水ケース７の冷却水通路１０には、図示しないラジエータと接続された冷却水管１１が繋がっていると共に、排気ガスの流れ方向に隣り合う冷却水ケース７の冷却水通路１０同士が図示しない冷却水管で繋がっている。これにより、各冷却水ケース７の内部には、冷却水が循環するようになる。冷却水ケース７は、例えばアルミニウム等で形成されている。
【００２６】
また、熱電発電装置１は、各熱電ユニット４を取り囲むように１列毎に配置されたバンド１３ａ，１３ｂを備えている。このバンド１３ａ，１３ｂは、各冷却水ケース７上に載置された押し付けブロック１２を介して熱電ユニット４の各部（熱交換器５、熱電変換モジュール６及び冷却水ケース７）を押し付け固定するものである。これらのバンド１３ａ，１３ｂ同士は、２組のボルト１４及びナット１５により固定されている。
【００２７】
排気通路２内には、エンジンからの排気ガスを導入させる通路１６を形成する導入管部材１７が配設されている。導入管部材１７は、円筒状を有する外側管部１８と、この外側管部１８の内側に配置された円筒状の内側管部１９とを有している。外側管部１８は、各熱電ユニット４よりも排気上流側において排気管３に接合されていると共に、排気管３の中央部を通って各熱電ユニット４よりも排気下流側まで延びるように構成されている。
【００２８】
外側管部１８は、閉じ塞がれた端部１８ａを排気下流側に有し、内側管部１９は、閉じ塞がれた端部１９ａを排気下流側に有している。そして、外側管部１８の端部１８ａの内面と内側管部１９の端部１９ａの外面との間には、排気ガスの導入方向の反対側に付勢するスプリング２０が設けられている。導入管部材１７内に排気ガスが導入されると、その排気ガスの流れ（圧力）によって、内側管部１９がスプリング２０の付勢力に抗してスプリング２０を収縮させながら排気下流側に移動するようになる。つまり、スプリング２０は、排気ガスのエネルギーに応じて収縮して、外側管部１８に対する内側管部１９の相対位置を変更させる変位設定手段を構成している。このようにスプリング２０を用いることにより、排気ガスのエネルギーに応じた内側管部１９の変位を簡単に且つ安価に行うことができる。なお、スプリング２０の付勢力は、エンジンの排気量等に応じて適宜決められる。
【００２９】
外側管部１８には、導入管部材１７に導入された排気ガスを、導入管部材１７の外部に流出させて各熱交換器５の熱交換フィン部８に供給するためのガス供給窓２１Ａ〜２１Ｃと、導入管部材１７に導入された排気ガスを、各熱交換器５を迂回させて導入管部材１７の外部に流出させるためのガスバイパス窓２２とが設けられている。ガス供給窓２１Ａ〜２１Ｃ及びガスバイパス窓２２は、図３に示すように矩形状を有している。ガス供給窓２１Ａ〜２１Ｃ及びガスバイパス窓２２の寸法は、例えば全て同等である。
【００３０】
ガス供給窓２１Ａ〜２１Ｃは、外側管部１８において、排気上流側から１〜３列目の熱電ユニット４に対応して複数（ここでは６つ）ずつ形成されている（図６参照）。ガス供給窓２１Ａ〜２１Ｃは、外側管部１８における各熱交換器５の排気上流側端部に対応する位置に形成されている。これにより、ガス供給窓２１Ａ〜２１Ｃから流出された排気ガスが各熱交換フィン部８の排気上流側端部に供給され、その排気ガスが更に排気下流側に向けて当該熱交換フィン部８を流れるようになるため、排気ガスの熱を熱交換フィン部８により効率良く回収することができる。ガスバイパス窓２２は、外側管部１８において、熱交換器５よりも排気下流側の位置に複数（ここでは６つ）形成されている（図６参照）。
【００３１】
内側管部１９には、導入管部材１７に導入された排気ガスを、ガス供給窓２１Ａ〜２１Ｃと協働して導入管部材１７の外部に流出させるためのガス供給窓２３Ａ〜２３Ｃと、導入管部材１７に導入された排気ガスを、ガスバイパス窓２２と協働して導入管部材１７の外部に流出させるためのガスバイパス窓２４とが設けられている。ガス供給窓２３Ａ〜２３Ｃ及びガスバイパス窓２４は、図３に示すように矩形状を有している。ガス供給窓２３Ａ〜２３Ｃは、内側管部１９において、排気上流側から１〜３列目の熱電ユニット４に対応して複数（ここでは６つ）ずつ形成されている（図６参照）。ガスバイパス窓２４の数は、例えばガスバイパス窓２２と同数である。
【００３２】
内側管部１９が外側管部１８に対して初期位置にある状態（スプリング２０が伸縮しない状態）では、ガス供給窓２３Ａ〜２３Ｃは、内側管部１９において上記のガス供給窓２１Ａ〜２１Ｃよりも排気上流側の位置に形成されている。
【００３３】
この状態では、ガス供給窓２３Ｃの排気下流側の縁の位置は、ガス供給窓２１Ｃの排気上流側の縁の位置とほぼ一致している。また、図３に示すように、ガス供給窓２１Ａからガス供給窓２３Ａまでの距離Ｄ１は、ガス供給窓２１Ｂからガス供給窓２３Ｂまでの距離Ｄ２よりも長くなっている。ガス供給窓２３Ａの幅（内側管部１９の軸方向に沿った長さ）Ｗ１は、ガス供給窓２１Ａ〜２１Ｃの幅（外側管部１８の軸方向に沿った長さ）Ｗよりも大きくなっている。また、ガス供給窓２３Ｂの幅Ｗ２はガス供給窓２３Ａの幅Ｗ１よりも大きく、更にガス供給窓２３Ｃの幅Ｗ３はガス供給窓２３Ｂの幅Ｗ２よりも大きくなっている。
【００３４】
また、内側管部１９が外側管部１８に対して初期位置にある状態では、ガスバイパス窓２４は、内側管部１９において上記の各ガスバイパス窓２２に対して重なり合うような位置に形成されている。
【００３５】
図４に示すように、内側管部１９が外側管部１８に対して相対移動したときに、ガス供給窓２３Ａ〜２３Ｃとガス供給窓２１Ａ〜２１Ｃとが重なり合う領域Ｐ（図（ａ）中のハッチング部分）の最大面積は、熱交換器５における熱交換フィン部８の形成領域Ｑ（図（ｂ）中の１点鎖線で囲まれた部分）の面積よりも小さくなっている。なお、図４（ａ）は、導入管部材１７におけるガス供給窓２１Ｃ，２３Ｃを含む部位を熱交換器５側から見た時の図であり、図４（ｂ）は、熱交換器５をガス供給窓２１Ｃ，２３Ｃ側から見た時の図である。このように構成することにより、導入管部材１７に導入された排気ガスがガス供給窓２３Ａ，２１Ａ、ガス供給窓２３Ｂ，２１Ｂ、ガス供給窓２３Ｃ，２１Ｃを通って熱交換フィン部８に供給される際の流速が高くなる。
【００３６】
次に、以上のように構成した熱電発電装置１の動作について説明する。エンジンの作動時には、エンジンからの排気ガスが導入管部材１７内に導入される共に、各熱電ユニット４における冷却水ケース７の冷却水通路１０に冷却水が流通するようになる。
【００３７】
ここで、エンジンの負荷がコールドスタート直後の極低負荷状態であるときには、排気ガスのエネルギー（圧力）が十分低いため、外側管部１８内に排気ガスが導入されてもスプリング２０は殆ど縮まず、内側管部１９は外側管部１８に対して殆ど初期位置にある状態のままとなる。この場合には、図３に示すように、内側管部１９内に導入された排気ガスは、各ガスバイパス窓２４，２２を通って導入管部材１７の外部に導かれ、更に下流側の排気浄化触媒に向けて流れていく。
【００３８】
この運転域では、排気ガスが全ての熱交換器５をバイパスして流れることになり、排気ガスの熱（排気熱）は発電に寄与しない。このとき、排気ガスが熱交換器５を全く通らないので、排気圧損が上がることは無い。また、排気熱が熱交換器５に奪われることは無いため、排気温を殆ど下げることなく排気ガスが排気浄化触媒まで流れるようになる。このため、排気浄化触媒が迅速に暖められるので、排気浄化性能が向上する。
【００３９】
エンジンの負荷がやや上がると、排気ガスのエネルギーがやや高くなるため、図５に示すように、外側管部１８内に導入された排気ガスによって内側管部１９が排気下流側に押されて、スプリング２０が縮む。このため、ガスバイパス窓２２，２４の重なりが解除されると共に、ガス供給窓２１Ｃ，２３Ｃが重なり合うようになる。この場合には、図５及び図６に示すように、内側管部１９内に導入された排気ガスは、各ガス供給窓２３Ｃ，２１Ｃを通って、排気上流側から３列目の各熱交換器５の熱交換フィン部８に供給される。そして、排気ガスは、その熱交換フィン部８の各フィン間を通り抜けて流れていく。
【００４０】
このとき、高温の排気熱は、熱交換フィン部８によって回収され、更に熱電変換モジュール６の高温側端面に伝えられる。このため、熱電変換モジュール６の高温側端面は高温状態に維持される。一方、熱電変換モジュール６の低温側端面は、冷却水ケース７内を流れる冷却水に熱を奪われるため、冷却される。これにより、熱電変換モジュール６の高温側端面と低温側端面との間に温度差が生じ、この温度差に応じた電力が発生する。
【００４１】
エンジンの負荷が更に上がると、排気ガスのエネルギーが更に高くなるため、図７に示すように、外側管部１８内に導入された排気ガスによって内側管部１９が更に排気下流側に押され、ガス供給窓２１Ｃ，２３Ｃに加えて、ガス供給窓２１Ｂ，２３Ｂも重なり合うようになる。この場合には、内側管部１９内に導入された排気ガスは、ガス供給窓２３Ｂ，２１Ｂ及びガス供給窓２３Ｃ，２１Ｃを通って、排気上流側から２列目及び３列目の各熱交換器５の熱交換フィン部８に供給される。これにより、排気上流側から２列目及び３列目の各熱電変換モジュール６によって発電が行われることになる。
【００４２】
エンジンの負荷が更に上がって高負荷状態になると、排気ガスのエネルギーが十分に高くなるため、図８に示すように、外側管部１８内に導入された排気ガスによって内側管部１９が更に排気下流側に押され、ガス供給窓２１Ｂ，２３Ｂ及びガス供給窓２１Ｃ，２３Ｃに加えて、ガス供給窓２１Ａ，２３Ａも重なり合うようになる。この場合には、内側管部１９内に導入された排気ガスは、ガス供給窓２３Ａ，２１Ａ、ガス供給窓２３Ｂ，２１Ｂ及びガス供給窓２３Ｃ，２１Ｃを通って、全ての熱交換器５の熱交換フィン部８に供給される。これにより、全ての熱電変換モジュール６によってフルに発電が行われることになる。
【００４３】
以上において、外側管部１８に形成されたガス供給窓２１Ａ〜２１Ｃ及びガスバイパス窓２２と、内側管部１９に形成されたガス供給窓２３Ａ〜２３Ｃ及びガスバイパス窓２４と、スプリング２０とは、通路１６に導入された排気ガスを、各熱交換器５の熱交換フィン部８に選択的に供給するように制御するガス流路制御手段を構成している。
【００４４】
図９は、比較例として、従来構造の熱電変換装置の代表例を示す断面図であり、図１０は、図９のＸ−Ｘ線断面図である。図中、本実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付してある。
【００４５】
各図において、熱電変換装置１００は、断面６角形状を有する一体型の熱交換器１０１を備えている。熱交換器１０１は、排気ガスが通る６つの排気通路１０２を形成する６つの仕切壁１０３と、各排気通路１０２に収容されるように設けられた６つの熱交換フィン部１０４とを有している。各熱交換フィン部１０４は、排気ガスの流れ方向に沿った３列の熱電領域を有し、各列の熱電領域に対応する位置に熱電変換モジュール６及び冷却水ケース７が配置されている。
【００４６】
このような熱電変換装置１００においては、エンジンからの排気ガスは、全ての排気通路１０２に導入され、全ての熱交換フィン部１０４の各フィン間を通り抜けて下流に流れていく。このとき、各熱交換フィン部１０４の排気上流側の熱電領域から順に排気熱が奪われて、対応する熱電変換モジュール６により発電が行われるため、排気下流側に向かうにつれて排気温が下がる。このため、熱交換フィン部１０４及び熱電変換モジュール６の温度は、排気上流側から１列目、２列目、３列目の順に低くなる。
【００４７】
この場合には、全ての熱電変換モジュール６を最も効率の良い温度で使うのは困難であり、排気上流側から１列目の熱電変換モジュール６の温度が耐熱温度を超えてしまうことがある。また、熱交換フィン部１０４の排気上流側領域と排気下流側領域との温度差により、熱交換フィン部１０４の当該領域間に径方向の熱膨張差が生じる結果、各熱電変換モジュール６の押し付け荷重に不均一が発生し、熱電変換モジュール６内の素子や電極等に偏荷重がかかり、発電不良が発生する可能性がある。
【００４８】
また、エンジン状態が低負荷であり、排気熱が少ないときには、排気上流側から１列目の熱電変換モジュール６のみで発電を行い、排気上流側から２列目及び３列目の熱電変換モジュール６は発電に寄与しないことがある。しかし、その場合でも、排気ガスが熱交換フィン部１０４を通過するため、排気圧損上不利になる。
【００４９】
これに対し本実施形態の熱電変換装置１では、排気管３の内部に、ガス供給窓２１Ａ〜２１Ｃ及びガスバイパス窓２２を有する外側管部１８とガス供給窓２３Ａ〜２３Ｃ及びガスバイパス窓２４を有する内側管部１９とからなる導入管部材１７を配置すると共に、エンジンの負荷に応じて外側管部１８に対する内側管部１９の相対位置を変更させるスプリング２０を設けたので、上記の不具合を解決することができる。
【００５０】
即ち、エンジンが高負荷である状態では、エンジンからの排気ガスが多くの熱交換器５の熱交換フィン部８に供給されることになるが、排気ガスは先ず導入管部材１７内に導入され、そこからガス供給窓２３Ａ〜２３Ｃ及びガス供給窓２１Ａ〜２１Ｃを介して各熱交換フィン部８に直接供給されるため、各熱交換フィン部８に供給される排気ガスの温度はほぼ均等になる。このため、各列間で熱交換器５の温度差は殆ど生じないため、各列間における熱交換器５の熱膨張差は殆ど無くなり、各熱電変換モジュール６にかかる押し付け荷重のバラツキが抑制される。これにより、各熱交換器５から各熱電変換モジュール６への排気熱の伝達率が良くなり、各熱電変換モジュール６で生成される発電量が均一化される。また、排気上流側から１列目の熱電変換モジュール６の温度が耐熱温度を超えてしまうことが防止される。一方、エンジンが低負荷である状態では、排気ガスのエネルギーが低いため、排気ガスが供給される熱交換フィン部８が少なくて済み、必要最小限の熱電変換モジュール６によって効果的に発電がなされる。
【００５１】
このようにエンジンの負荷に応じて各熱交換フィン部８への排気ガスの流れを制御するので、熱電変換装置１は熱電変換モジュール６を効率良い状態で使用することになり、これにより発電効率を高めることができる。
【００５２】
また、ガス供給窓２３Ａ〜２３Ｃとガス供給窓２１Ａ〜２１Ｃとが重なり合う領域の最大面積を熱交換フィン部８の形成領域の面積よりも小さくすることにより、排気ガスが熱交換フィン部８に供給される時の流速が上がるので、熱交換フィン部８の熱回収量が多くなり、熱電変換モジュール６で発生する発電量が増大する。これにより、発電効率を更に向上させることができる。
【００５３】
さらに、エンジンが低負荷の状態では、内側管部１９内に導入された排気ガスをガス供給窓２３Ｃ，２１Ｃから流出させて、排気上流側から３列目の各熱交換器５の熱交換フィン部８に供給するので、排気上流側から１列目及び２列目の各熱交換器５を排気ガスが通ることは無い。従って、排気圧損を上げること無く、発電を行うことができる。
【００５４】
本発明に係わる熱電発電装置の第２実施形態を図１１により説明する。図中、第１実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００５５】
同図において、本実施形態の熱電発電装置３０は、第１実施形態におけるスプリング２０に代えて、電動アクチュエータ３１と、この電動アクチュエータ３１を制御するコントローラ３２とを有している。
【００５６】
電動アクチュエータ３１は、導入管部材１７の軸方向（長手方向）に往復移動可能なロッド部３１ａを有している。ロッド部３１ａは、排気管３に設けられたベアリング３３を介して排気管３内に導入され、更に外側管部１８の排気下流側の端部１８ａを挿通した状態で、内側管部１９の排気下流側の端部１９ａに連結されている。
【００５７】
コントローラ３２は、エンジンからの排気ガスの流量及び温度を検出し、その検出結果からエンジンの負荷を求め、これに基づいて電動アクチュエータ３１のロッド部３１ａのストロークを制御することにより、外側管部１８に対する内側管部１９の相対位置を設定する。具体的には、コントローラ３２は、エンジンの負荷が高くなるに従って内側管部１９が排気下流側に移動するように、電動アクチュエータ３１を制御する。なお、排気ガスの流量は、例えばエンジン回転数やスロットルバルブ開度等から推定でき、排気ガスの温度は、例えば触媒の温度等から推定できる。
【００５８】
本実施形態においては、上記のスプリング２０を使用する場合と異なり、スプリングを押し返す力が内側管部１９に加わることは無いので、スプリング反力分の排気圧損が生じることを防止できる。
【００５９】
本発明に係わる熱電発電装置の第３実施形態を図１２〜図１８により説明する。図中、第１実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００６０】
図１２において、本実施形態の熱電発電装置４０では、複数（ここでは６つ）の熱電ユニット４からなる熱電ユニット群は、排気ガスの流れ方向に沿って１列のみ配置されている。
【００６１】
また、熱電発電装置４０の導入管部材１７は、第１実施形態における外側管部１８及び内側管部１９に代えて、外側管部４１及び内側管部４２を有している。外側管部４１には、複数のガス供給窓４３と複数のガスバイパス窓４４とが設けられている。ガス供給窓４３及びガスバイパス窓４４の数は、熱電ユニット４の数と同じである。各ガス供給窓４３は、外側管部４１における各熱交換器５の排気上流側端部に対応する位置に形成されている。ガスバイパス窓４４は、外側管部４１における各熱交換器５よりも排気下流側の位置に形成されている。
【００６２】
内側管部４２には、複数のガス供給窓４５と複数のガスバイパス窓４６とが設けられている。ガス供給窓４５及びガスバイパス窓４６の数は、熱電ユニット４の数と同じである。内側管部４２が外側管部４１に対して初期位置にある状態では、各ガス供給窓４５は、内側管部４２において上記の各ガス供給窓４３よりも排気上流側の位置に形成されている。また、各ガス供給窓４５の排気上流側の縁の位置は一致しており、各ガス供給窓４５の排気下流側の縁の位置は各々異なっている。つまり、各ガス供給窓４５の幅（内側管部４２の軸方向に沿った長さ）Ｈは、各々異なっている（図１３参照）。
【００６３】
このような熱電発電装置４０において、エンジンの負荷がコールドスタート時から僅かに高い低負荷である状態では、図１３に示すように、導入管部材１７内に導入された排気ガスによって内側管部４２が外側管部４１に対して排気下流側に押され、最も幅の大きいガス供給窓４５と対応するガス供給窓４３とが重なり合うようになる。この場合には、図１３及び図１４に示すように、内側管部４２内に導入された排気ガスは、１組のガス供給窓４５，４３を通って、対応する１つの熱交換器５の熱交換フィン部８に供給される。そして、当該熱交換器５に対応する１つの熱電変換モジュール６だけで発電が行われることになる。
【００６４】
その状態から、エンジンの負荷が上がると、図１５に示すように、排気ガスによって内側管部４２が更に排気下流側に押され、１組のガス供給窓４３，４５に加えて、２番目に幅の大きいガス供給窓４５と対応するガス供給窓４３とが重なり合うようになる。この場合には、図１５及び図１６に示すように、内側管部４２内に導入された排気ガスは、２組のガス供給窓４５，４３を通って、対応する２つの熱交換器５の熱交換フィン部８に供給される。そして、これらの熱交換器５に対応する２つの熱電変換モジュール６によって発電が行われる。
【００６５】
そして、エンジンの負荷が更に上がると、図１７に示すように、排気ガスによって内側管部４２が更に排気下流側に押され、２組のガス供給窓４３，４５に加えて、３番目に幅の大きいガス供給窓４５と対応するガス供給窓４３とが重なり合うようになる。この場合には、図１７及び図１８に示すように、内側管部４２内に導入された排気ガスは、３組のガス供給窓４５，４３を通って、対応する３つの熱交換器５の熱交換フィン部８に供給される。そして、これらの熱交換器５に対応する３つの熱電変換モジュール６によって発電が行われる。
【００６６】
以下省略するが、エンジンの負荷が更に上がっていくに従って、ガス供給窓４３と重なり合うガス供給窓４５が増えるため、排気ガスが供給される熱交換フィン部８が多くなり、これに伴って発電に寄与する熱電変換モジュール６が多くなる。
【００６７】
ところで、エンジンの負荷が低く、排気熱が少ない状態で、全ての熱交換器５の熱交換フィン部８に排気ガスが供給されると、各熱交換フィン部８で回収された排気熱は各熱電変換モジュール６に分配されるため、各熱電変換モジュール６の高温側端面を高温状態に確保することが困難になり、発電効率の低下を招くおそれがある。しかし、本実施形態では、エンジンが低負荷の状態では、発電に寄与する熱電変換モジュール６が少ないので、熱電変換モジュール６の高温側端面は高温状態に維持される。これにより、エンジンの負荷に因らず熱電変換モジュール６は常に効率良い状態で使用されるため、発電効率を向上させることができる。
【００６８】
なお、本実施形態では、複数の熱電ユニット４からなる熱電ユニット群を１列のみとしたが、そのような熱電ユニット群を排気ガスの流れ方向に沿って複数列配置しても良いことは言うまでもない。この場合、例えば本実施形態の構成を上記の第１実施形態と組み合わせて採用し、１つの熱電ユニット４毎に排気ガスの流路を制御することにより、きめ細かで最適な発電制御を行うことが可能となる。
【００６９】
以上、本発明に係わる熱電発電装置の実施形態について幾つか説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
【００７０】
例えば上記実施形態では、導入管部材１７の内側管部に矩形状のガス供給窓を設ける構成としたが、内側管部のガス供給窓の形状としては、図１９に示すように三角形状であっても良い。この場合には、内側管部１９を外側管部１８に対して相対移動させたときに、内側管部１９と外側管部１８とが重なり合う領域の面積が内側管部１９の移動量に応じて非線形に変化することになる。車両の排気量や運転状態等によっては、そのように構成したほうが、熱交換器５への排気ガスの流速チューニングが細かく最適に行える場合もあり、排気ガスの流速制御の自由度を上げることができる。なお、内側管部のガス供給窓の形状としては、これ以外にも円形状等であっても良い。また、外側管部のガス供給窓や、外側管部及び内側管部のガスバイパス窓の形状についても、特に矩形状には限られない。
【００７１】
また、上記実施形態では、熱電変換モジュール６と同数の熱交換器５を設ける構成としたが、熱交換器を図９及び図１０に示すような一体型構造としても良い。この場合には、エンジンの負荷に応じて、熱交換器の熱交換フィン部における各熱電変換モジュール６に対応する位置に排気ガスを選択的に供給するように、排気ガスの流路を制御する。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明に係わる熱電発電装置の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】外側管部のガス供給窓及びガスバイパス窓と内側管部のガス供給窓及びガスバイパス窓との位置関係等を示す図である。
【図４】外側管部のガス供給窓と内側管部のガス供給窓とが重なり合う領域の面積と、熱交換器における熱交換フィン部の形成領域の面積との関係を示す図である。
【図５】図３に示した状態からエンジン負荷が上がったときの導入管部材の状態及び排気ガスの流路を示す概略図である。
【図６】図３に示した状態からエンジン負荷が上がったときの排気ガスの流路を示す断面図である。
【図７】図５に示した状態からエンジン負荷が上がったときの導入管部材の状態及び排気ガスの流路を示す概略図である。
【図８】図７に示した状態からエンジン負荷が上がったときの導入管部材の状態及び排気ガスの流路を示す概略図である。
【図９】従来構造の熱電変換装置の一例を示す断面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１１】本発明に係わる熱電発電装置の第２実施形態を示す構成図である。
【図１２】本発明に係わる熱電発電装置の第３実施形態を示す断面図である。
【図１３】エンジン低負荷時の導入管部材の状態及び排気ガスの流路を示す概略図である。
【図１４】エンジン低負荷時の排気ガスの流路を示す断面図である。
【図１５】図１３に示した状態からエンジン負荷が上がったときの導入管部材の状態及び排気ガスの流路を示す概略図である。
【図１６】図１４に示した状態からエンジン負荷が上がったときの排気ガスの流路を示す断面図である。
【図１７】図１５に示した状態からエンジン負荷が上がったときの導入管部材の状態及び排気ガスの流路を示す概略図である。
【図１８】図１６に示した状態からエンジン負荷が上がったときの排気ガスの流路を示す断面図である。
【図１９】内側管部のガス供給窓の変形例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００７３】
１…熱電発電装置、２…排気通路（第１通路）、５…熱交換器、６…熱電変換モジュール（熱電変換部）、８…熱交換フィン部（熱交換部）、１６…通路（第２通路）、１７…導入管部材、１８…外側管部、１８ａ…排気下流側端部、１９…内側管部、１９ａ…排気下流側端部、２０…スプリング（変位設定手段、ガス流路制御手段）、２１Ａ〜２１Ｃ…ガス供給窓（第１ガス供給窓、ガス流路制御手段）、２２…ガスバイパス窓（第１ガスバイパス窓、ガス流路制御手段）、２３Ａ〜２３Ｃ…ガス供給窓（第２ガス供給窓、ガス流路制御手段）、２４…ガスバイパス窓（第２ガスバイパス窓、ガス流路制御手段）、３０…熱電発電装置、３１…電動アクチュエータ（変位設定手段、ガス流路制御手段）、３１ａ…ロッド部、３２…コントローラ（変位設定手段、ガス流路制御手段）、４０…熱電発電装置、４１…外側管部、４２…内側管部、４３…ガス供給窓（第１ガス供給窓、ガス流路制御手段）、４４…ガスバイパス窓（第１ガスバイパス窓、ガス流路制御手段）、４５…ガス供給窓（第２ガス供給窓、ガス流路制御手段）、４６…ガスバイパス窓（第２ガスバイパス窓、ガス流路制御手段）。
【図１】
2006214350.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2006214350.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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