(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、単位体積当たりの発電出力密度を向上させることができ、軽量化かつ小型化することができ、熱電変換手段の加熱面の温度をより上昇させ、また、熱電変換手段の冷却面の温度をより低下させることができ、冷却水からの距離が離れた位置においても、熱電変換手段の冷却面が十分冷却され、かつ、メンテナンス性の良い熱電発電装置を提供することにある。【解決手段】  冷却媒体の流路となる第一の筒部２と、該第一の筒部２の外側に所定間隔をもって配置され、加熱媒体の流路となる第二の筒部３と、前記第一の筒部２より内側の領域と前記第二の筒部３より外側の領域とを繋ぐ熱伝達部材４と、前記第一の筒部２より外側、かつ前記第二の筒部３より内側の領域の前記熱伝達部材４に配置された熱電変換手段５とからなることにある。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却媒体の流路となる第一の筒部と、
該第一の筒部の外側に所定間隔をもって配置され、加熱媒体の流路となる第二の筒部と、
前記第一の筒部より内側の領域と前記第二の筒部より外側の領域とを繋ぐ熱伝達部材と、
前記第一の筒部より外側、かつ前記第二の筒部より内側の領域の前記熱伝達部材に配置された熱電変換手段とからなることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
前記第一の筒部より内側の領域、および前記第二の筒部より外側の領域は冷却媒体が備えられ、かつ、前記第一の筒部と前記第二の筒部に仕切られた領域は排ガスの流路であ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】
前記第一の筒部より内側の領域に配置された冷却媒体は水であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
前記第二の筒部より外側の領域に配置された冷却媒体は空気であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項５】
前記熱電変換手段にはヒートシンクが配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項６】
前記第二の筒部より外側の領域に配置された前記熱伝達部材にはヒートシンクが配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項７】
前記第二の筒部は複数の部品からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項８】
前記第二の筒部と前記熱伝達部材との間には断熱材料が配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項９】
前記熱電変換手段は熱電変換モジュールまたは熱電変換素子であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項１０】
前記熱電変換モジュールまたは熱電変換素子は、一対のｐ型半導体とｎ型半導体と接続部材とを備える熱電変換素子を複数有し、前記接続部材の一端には前記ｐ型半導体が、他端にはｎ型半導体が設けられ、前記複数の熱電変換素子のｐ型半導体とｎ型半導体とが交互に電気的に接続された熱電変換モジュールであることを特徴とする請求項９に記載の熱電発電装置。
【請求項１１】
前記熱電変換モジュールは前記熱伝達部材に挟まれる位置に設けられ、前記熱電変換モジュールの両側面は前記熱伝達部材とそれぞれ接していることを特徴とする請求項１０に記載の熱電発電装置。
【請求項１２】
前記熱伝達部材は金属部材であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項１３】
前記熱伝達部材は循環自励振動式ヒートパイプであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項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、内燃機関エンジンの排ガスの熱を回収して電力に変換する熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車などの内燃機関エンジンから排出される排ガスの熱を回収して電力に変換する方法として、排ガスの排出経路などに熱電発電装置を配置することが知られている。
熱電発電装置は、内部に熱電モジュールまたは熱電変換素子（以下、熱電モジュールという）を備えることで、排ガスの熱を加熱源として発電している。
熱電素子とは、加熱源と冷却源とで挟み、温度差を与えるとゼーベック効果により発電する素子であり、熱電モジュールとは、複数の熱電素子を電気的に直列に接続し、機械的に一体化したものである。熱電モジュールにおいて、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される際のエネルギーの流れを見ると、熱エネルギーは加熱源から熱電モジュールの加熱面へと流れ、次に熱電モジュール内を加熱面から冷却面へと流れ、そして冷却面から冷却源へと流れる。このとき、熱電モジュール内部に流れる熱エネルギーの一部が変換され電気エネルギーになる。発生する電気エネルギーの大きさは、熱電変換素子に使用する材料によっても異なるが、熱エネルギーとの関係でみると、熱電モジュールに流れる熱エネルギーが大きい、すなわち、加熱・冷却面間の温度差が大きいほど変換される電気エネルギーが増加するという関係にある。したがって、熱電モジュールの加熱面を高温化する技術、そして、冷却面を低温化する技術が重要となる。
【０００３】
特許文献１には、内筒と外筒とを備え、内筒の内側の領域を排ガスが、また、放熱フィンが設けられた外筒の外側の領域を空気などの冷却媒体が通過し、熱電モジュールが内筒の外側、かつ、外筒の内側の領域に配置されている熱電発電装置が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、排ガスが導入される内筒（内管）と、内筒の外方に設けられた外筒（外管）とを備え、内筒の内側の領域を排ガスが、また、外筒の外側の領域を冷却水または空気などの冷却媒体が通過し、熱電モジュールが内筒と外筒とで挟み込まれている熱電発電装置が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、積層された複数の排ガス流路と複数の冷却水流路との間に熱電モジュールが挟み込まれている熱電発電装置が開示されている。
【０００６】
特許文献４には、排気管の外側に同心状に設置される内部ケーシングと外部ケーシングを備え、内部ケーシングと外部ケーシングの間に冷却水通路を形成し、熱電モジュールが排ガス流路と冷却水流路との間に備えられたフィンに両面を密着して配置されている熱電発電装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１２２９６０号公報
【特許文献２】特開２０１３−９３４６６号公報
【特許文献３】ＷＯ０７／０２６４３２号公報
【特許文献４】特開２０１３−１２６３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
熱電発電装置を車両に有効に活用するためには、限られた空間への搭載を達成させるため、熱電発電装置が小型かつ軽量であること、かつ、車両の燃費向上を達成するため、高い発電出力、すなわち高い単位体積当たりの発電出力密度が得られること、が必要である。
熱電モジュールは加熱面と冷却面を有し、加熱面と冷却面との温度差が大きい場合に、発電出力が向上する。
そのため、単位体積当たりの発電出力密度を高めるには、下記の要素が必要である。
第１に熱電モジュールが高密度に配置されること。
第２に熱電モジュールの加熱面に、加熱源である排ガスの熱が高効率に伝達されること。
第３に熱電モジュールの冷却面が、冷却源により効率的に冷却されること。
【０００９】
しかし、従来の方法では、下記の（ｉ）〜（ｖｉｉ）の課題がある。
特許文献１の方法では、下記の（ｉ）、（ｉｉ）、（ｖ）、（ｖｉ）の課題がある。
（ｉ）熱電モジュールを配置可能な部位は、外筒部（もしくは／および内筒部）の表面のみである。そのため、熱電モジュールを高密度に配置することには限界がある。
すなわち、熱電発電装置の単位体積当たりの出力密度には限界がある。
（ｉｉ）熱電モジュールが排ガス流路管の外側に配置されている。そのため、熱電モジュールの加熱面（以下、熱電モジュール加熱面という）に伝達される排ガスの熱には限界がある。
すなわち、熱電モジュール加熱面の温度向上には限界がある。
（ｖ）熱電発電装置において、外周に冷却水流路が配置されている。そのため、排ガス流路管などの周囲を囲むだけの冷却水管の外径が必要となる。
すなわち、冷却水管の外径が大きいことから、熱電発電装置が大型となる。
（ｖｉ）前記同様に熱電発電装置において、外周に冷却水流路が配置されているため、排ガス流路管などの周囲を囲むだけの冷却水管の外径が必要となる。
すなわち、冷却水管の外径が大きくなることから、冷却水管の外径の分の重量が増す。
また、冷却水流路を構成する体積の分だけ、熱電発電装置の稼働時には、冷却水流路を通過する冷却水の重量が増加する。
【００１０】
特許文献２の方法では、上記（ｉ）、（ｉｉ）、（ｖ）、（ｖｉ）と同様の課題以外に、下記（ｉｖ）の課題がある。
（ｉｖ）熱電モジュールの冷却は、一箇所の冷却水流路管のみから行われている。そのため、下記の課題がある。
熱電モジュールの冷却には限界がある。
すなわち、熱電モジュールと部材との接触面である熱電モジュールの冷却面（以下、熱電モジュール冷却面という）の温度低下には限界がある。
冷却水流路管からの距離が離れた位置（冷却水管の内径側、または冷却水流路の入口から離れた距離の位置（例えば出口付近））においては、熱電モジュール冷却面の温度が低下しにくく、逆に温度が上昇してしまうおそれがある。
【００１１】
特許文献３の方法では、上記（ｉｉ）、（ｉｖ）、（ｖ）、（ｖｉ）と同様の課題以外に、下記（ｖｉｉ）の課題がある。
（ｖｉｉ）熱電発電装置は複雑な構成である。そのため、熱電モジュールなどのメンテナンスが困難である。
【００１２】
特許文献４の方法では、上記（ｉｉ）、（ｉｖ）〜（ｖｉｉ）と同様の課題以外に、下記（ｉｉｉ）の課題がある。
（ｉｉｉ）熱電モジュールが排ガス流路管の外側に配置され、冷却水流路管と密着している。そのため、排ガス流路管と冷却水流路管との間の領域に熱電モジュールが配置されている。
すなわち、熱電発電装置が三個の管から構成されている。
【００１３】
本発明の目的は、単位体積当たりの発電出力密度を向上させることができ、軽量化かつ小型化することができ、熱電モジュール加熱面の温度をより上昇させつつも熱電モジュール冷却面の温度をより低下させることができ、冷却水からの距離が離れた位置においても、熱電モジュールの冷却面が十分冷却され、かつ、メンテナンス性の良い熱電発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するため、冷却媒体の流路となる第一の筒部と、該第一の筒部の外側に所定間隔をもって配置され、加熱媒体の流路となる第二の筒部と、前記第一の筒部より内側の領域と前記第二の筒部より外側の領域とを繋ぐ熱伝達部材と、前記第一の筒部より外側、かつ前記第二の筒部より内側の領域の前記熱伝達部材に配置された熱電変換手段とからなることにある。
本発明は、下記の構成を備えることができる。
前記第一の筒部より内側の領域、および前記第二の筒部より外側の領域は冷却媒体が備えられ、かつ、前記第一の筒部と前記第二の筒部に仕切られた領域は排ガスの流路である。前記第一の筒部より内側の領域に配置された冷却媒体は水である。前記第二の筒部より外側の領域に配置された冷却媒体は空気である。前記熱電変換手段にはヒートシンクが配置されている。前記第二の筒部より外側の領域に配置された前記熱伝達部材にはヒートシンクが配置されている。前記第二の筒部は複数の部品からなる。
前記熱電変換手段は熱電変換モジュールまたは熱電変換素子を用いることができる。
熱電変換モジュールまたは熱電変換素子は、一対のｐ型半導体とｎ型半導体と接続部材とを備える熱電変換素子を複数有し、前記接続部材の一端には前記ｐ型半導体が、他端にはｎ型半導体が設けられ、前記複数の熱電変換素子のｐ型半導体とｎ型半導体とが交互に電気的に接続された熱電変換モジュールを用いることができる。前記熱電変換モジュールは前記熱伝達部材に挟まれる位置に設けられ、前記熱電変換モジュールの両側面は前記熱伝達部材とそれぞれ接して構成されている。前記第二の筒部と前記熱伝達部材との間には断熱材料を配置してもよい。前記熱伝達部材には金属部材を用いることができる。前記熱伝達部材には循環自励振動式ヒートパイプを用いることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、加熱媒体の流路となる排ガス流路を横断するように配置された、熱電変換手段を冷却するための熱伝達部材が別途用意され、該熱伝達部材に熱電変換手段が配置されている。そのため、該熱伝達部材に熱電変換手段を配置することができ、また、該熱伝達部材の個数を増やすほど、熱電変換手段をより多く配置することができる。
また、本発明は、熱電変換手段にヒートシンクを配置することで、排ガスの熱を熱電変換手段加熱面に効率よく伝達することができる。前記第二の筒部より外側の領域に配置された前記熱伝達部材にヒートシンクを配置することで、走行風により熱伝達部材をより冷却することができる。第二の筒部と前記熱伝達部材との間に断熱材料を配置することで、外筒部に蓄積された排ガスの熱が熱伝達部材に伝達されることを防止することができる。前記熱伝達部材に循環自励振動式ヒートパイプを用いることにより、熱伝達部材の内部を流れる熱量が増大し、熱電変換手段冷却面の温度をさらに低温にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による熱電発電装置の一実施の形態を示す概念斜視図である。
【図２】排ガスの熱の伝達態様を示す図１の部分拡大断面図である。
【図３】冷却水からの距離と冷却フィンの冷却態様の関係を示すグラフである。
【図４】ハイブリッド冷却を行った場合の冷却水からの距離と冷却フィンの冷却態様の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の他の実施の形態による熱電発電装置を示す概念図である。
【図６】本発明の別の他の実施の形態による熱電発電装置を示す概念図である。
【図７】図６の特殊構造熱電変換モジュールの具体的な構造を示すＸ部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の熱電発電装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１において、熱電発電装置１は、内部に冷却水Ｗが供給される第一の筒部としての内筒部２と、この内筒部２の外側に所定間隔をおいて同心状に配置された第二の筒部としての外筒部３と、前記内筒部２内に一端部を貫通させ、前記外筒部３の外側に他端部を貫通させて放射状に設けられた熱伝達部材としての複数の冷却フィン４と、これら冷却フィン４の両面に設けられた熱電変換手段、例えば熱電変換モジュールまたは熱電変換素子（以下熱電モジュールという）５と、前記外筒部３と冷却フィン４との間に配置された断熱材料６とで構成されている。内筒部２を流れる冷却水Ｗの循環経路は、外筒部３の両端位置から外部に引き出す構造でもよく、あるいは外筒部３の途中から外部に引出してもよい。この冷却水の循環経路は、例えば、図示しないポンプを備えた循環装置により冷却水を供給することができる。前記熱電変換手段とは、熱を用いて発電する手段のことであり、前記熱電変換素子の他、アルカリ金属熱電発電、熱電子発電、熱磁気発電などがある。自動車などの移動体に組み込む場合は限られた空間に積み込む必要があるので、省スペースにしやすい熱電変換素子や熱電変換モジュールが好ましい。
【００１８】
前記冷却フィン４は約９０度間隔で半径方向に配置された金属製のプレートで、一端部を前記内筒部２内に貫通させて、冷却水Ｗと接触させ、他端部を前記外筒部３を貫通させて、外筒部３の外側に延出させ、外気と直接、接触させている。前記冷却フィン４は、内筒部２壁面を貫通させる部分では、防水構造を採用することで冷却水の流出を阻止することができる。また、前記冷却フィン４は外筒部３壁面を貫通させる部分では、気密性を保つように構成することで排ガスＧの流出を阻止することができる。
【００１９】
前記熱電変換手段としての熱電モジュール５は、内筒部２より外側、かつ前記外筒部３より内側の領域に配置され、冷却フィン４の両面に密着するようにして装着されている。この熱電変換手段としての熱電モジュール５は、冷却フィン４から冷気が冷却面５ａに伝わるもので、この冷却面５ａと、前記外筒部３内に流れる排ガスＧの熱により熱せられる加熱面５ｂとの温度差によって発電するものである。前記熱電変換手段としての熱電モジュール５の加熱面５ｂには、加熱用のヒートシンク７Ａが設置され、かつ前記外筒部３外側の冷却フィン４の両面には空冷のヒートシンク７Ｂがそれぞれ設置されている。前記外筒部３と冷却フィン４との間には断熱材料６が配置されているので、外筒部３に蓄積された排ガスＧの熱が冷却フィン４に伝達されるのを防止することができる。
【００２０】
次に前記実施の形態の作用を説明する。
中央の内筒部２は、冷却水Ｗの流路となり、内筒部２と外筒部３の間が排ガスＧの流路となる。外筒部３の外側は外気に接している。内筒部２と外筒部３の間を繋いでいる冷却フィン４は、一端部が内筒部２内の冷却水Ｗによって冷却され、他端部が外筒部３外側の外気に接触して冷却される。こうして、冷却フィン４に装着された熱電変換手段としての熱電モジュール５には、図２に示すように排ガスＧの熱流が矢印のように加熱用のヒートシンク７Ａから熱電変換手段としての熱電モジュール５の加熱面５ｂに伝わり、冷却面５ａから冷却フィン４に伝達される。一方、冷却フィン４に密着している熱電変換手段としての熱電モジュール５の冷却面５ａでは、一方に冷却水Ｗ、他方に外気という冷却源を持つことになり、効率よく冷却される。この時の熱電モジュール冷却面５ａの温度と冷却水からの距離との関係を表したグラフを示すと、例えば、アイドリング状態では、図３に示すように、ほぼ冷却水Ｗのみが冷却源の役割を果たし、距離が離れることにより温度が上昇する。一方、走行中は、図４に示すように冷却水Ｗと走行風によって冷却フィン４が効率よく冷却されるので冷却水Ｗから離れると、外部の空気によって冷却フィン４が冷却されることから熱電モジュール冷却面５ａの温度は、ほぼ一定の温度となる。このように、走行中は、冷却水Ｗに加えて外気も冷却源として用いることができ、冷却水Ｗと外気とのハイブリッド方式で冷却面５ａを効率的に冷却できる効果が得られる。特に冷却フィン４の外側には、空冷ヒートシンク７Ｂを付加しているので、外気による冷却によって更に効率よく冷却することができる。こうして、熱電変換手段としての熱電モジュール５では、加熱面５ｂと冷却面５ａとの温度差から発電される。
【００２１】
また、冷却フィン４に装着された熱電モジュール５は、排ガスＧの流路内に置かれているため、熱電モジュール５を全体的に加熱することができる。そして、熱電モジュール５の加熱面５ｂ側に加熱用のヒートシンク７Ａを設置しているので、排ガスＧの熱を加熱面５ｂに効率よく伝達することができる。さらに、冷却フィン４の両面に熱電モジュール５を設けているので、熱電モジュール５を高密度に設置することができ、発電効率を上げることができる。外筒部３外側の冷却フィン４の両面には空冷のヒートシンク７Ｂがそれぞれ設置されているので、走行風によって冷却フィン４をより冷却することができることから熱電モジュール５の冷却面５ａの温度をより低下させることができる。
【００２２】
また、冷却源となる冷却水Ｗの流路を中心部にまとめた構造にしているので、冷却水流路の体積が最小化され、小型で、かつ稼働時における軽量化を実現できる。さらに、外筒部３を組み立て式に構成することで、熱電モジュール５のメンテナンスを容易に行うことができる。
【００２３】
次に図５は、本発明の他の実施の形態であり、図１と同一部分は同符号を付して同一部分の説明は省略して説明する。
この場合、熱電発電装置１１は、内部に冷却水Ｗが供給される第１の筒部としての内筒部１２と、この内筒部１２の外側に所定間隔をおいて同心状に配置される第２の筒部としての外筒部１３をそれぞれ楕円あるいは長円形状に形成したものである。そして、内筒部１２内に一端部を貫通させて設けられる冷却フィン１４は内筒部１２と外筒部１３相互間に横並びに一定間隔で、図示例では片側５個づつ、それぞれ平行に並設し、一端部を長円形の壁面をそれぞれ貫通させて外筒部１３の外側に延設させている。これら内筒部１２と外筒部１３相互間の各冷却フィン１４の両側壁部には、冷却面１５ａを接触させて熱電モジュール５がそれぞれ配設されており、熱電モジュール５の加熱面１５ｂには加熱用のヒートシンク１７Ａがそれぞれ配設されている。外筒部１３の外側に延設された冷却フィン１４の他端部両面には、空冷のヒートシンク１７Ｂがそれぞれ設置されている。
【００２４】
この実施の形態によると、中央の楕円あるいは長円形状の内筒部１２は、冷却水Ｗの流路となり、内筒部１２と外筒部１３の間が排ガスＧの流路となる。外筒部１３の外側は外気に接している。内筒部１２と外筒部１３の間を繋いでいる冷却フィン１４は、一端部が内筒部１２内の冷却水Ｗによって冷却され、他端部が外筒部１３外側の外気に接触して冷却される。こうして、冷却フィン１４に装着された熱電変換手段としての熱電モジュール１５は、冷却面１５ａが一方に冷却水Ｗ、他方に外気という冷却源を持つことになり、例えば、アイドリング状態では、ほぼ冷却水Ｗのみが冷却源の役割を果たし、走行中は走行風によって冷却フィン１４が効率よく冷却される。このように、走行中は、冷却水Ｗに加えて外気も冷却源として用いることができ、冷却水Ｗと外気とのハイブリッド方式で冷却面１５ａを効率的に冷却できる効果が得られる。特に冷却フィン１４の外側には、空冷ヒートシンク１７Ｂを付加しているので、外気による冷却によって更に効率よく冷却することができる。
【００２５】
また、冷却フィン１４に装着された熱電変換手段としての熱電モジュール１５は、排ガスＧの流路内に置かれているため、熱電変換手段としての熱電モジュール１５を全体的に加熱することができる。そして、熱電変換手段としての熱電モジュール１５の加熱面１５ｂ側に加熱用のヒートシンク１７Ａを設置しているので、排ガスＧの熱を加熱面１５ｂに効率よく伝達することができる。さらに、冷却フィン１４の両面に熱電変換手段としての熱電モジュール１５を設けているので、熱電変換手段としての熱電モジュール１５を高密度に設置することができ、発電効率を上げることができる。また、外筒部１３外側の冷却フィン１４の両面には空冷のヒートシンク１７Ｂがそれぞれ設置されているので、走行風によって冷却フィン１４をより冷却することができることから熱電変換手段としての熱電モジュール１５の冷却面１５ａの温度をより低下させることができる。
【００２６】
前記実施の形態によれば、下記の効果を得ることができる。
排ガス流路を横断するように冷却フィン４，１４を設置し、その両面に熱電変換手段としての熱電モジュール５、１５を配置するため、熱電変換手段としての熱電モジュール５、１５を高密度に設置することができ、熱電発電機の単位体積当たりの出力を高めることができる。また、熱電変換手段として熱電モジュール５、１５が排ガス流路内に置かれているため、熱伝達が困難な排ガスＧにより熱電モジュール全体を加熱することができ、熱電変換手段としての熱電モジュール５、１５加熱面の温度をより高めることができる。さらに、熱電変換手段としての熱電モジュール５、１５を排ガス流路内に置くため、２重管にでき、必然的に小型化できる。またさらに、冷却フィン４，１４の両面に熱電変換手段としての熱電モジュール５、１５を配置するとともに、その一端部が冷却水Ｗに接し、他端が外気に接しているため、熱電変換手段としての熱電モジュール５、１５冷却面の冷却源として冷却水Ｗと外気を併用することができる。すなわちハイブリッド冷却式となる。ハイブリッド冷却であれば、冷却水からの距離が離れた個所においても、外気により充分冷やされるため、上昇せず、低温に保つことができる。また、ほぼ中央に配する内筒部材２，１２に冷却水Ｗを流動させるため、排ガス流路を中央に配置するタイプに比べ、冷却水Ｗの体積が最小化され、小型にすることができるとともに、稼働時に軽量となる。さらに、外筒部３，１３が組み立て式のため、内部に設置された熱電変換手段としての熱電モジュール５、１５などのメンテナンスが容易である。熱電変換手段としての熱電モジュール５、１５加熱面に加熱用のヒートシンク７Ａ，１７Ａを設置しているので、排ガスＧの熱を加熱面５ｂ，１５ｂに効率よく伝達することができる。また、外筒部３，１３外側の冷却フィン４，１４の両面には空冷のヒートシンク７Ｂ，１７Ｂがそれぞれ設置されているので、冷却フィン４，１４を空冷する能力が高まり、熱電モジュール５、１５冷却面の温度をより低下させることができる。また、外筒部３，１３と冷却フィン４，１４の間に断熱材料が挿入されているので、排ガスＧの熱が外筒部３，１３を経由して冷却フィン４，１４に流れ込むことを阻止でき、冷却フィン４，１４の温度を低温に保つことができる。冷却フィン４，１４に扁平形状の循環自励振動式ヒートパイプを使用することにより、フィン内部を流れる熱流が増大し、熱電変換手段としての熱電モジュール５、１５冷却面の温度をより低下させることができ、発電効率を向上することができる。
【００２７】
次に図６および図７は、本発明による別の他の実施の形態であり、図５と同一部分は同符号を付して同一部分の説明は省略して説明する。
この実施の形態では、上記の熱電発電装置１１とは異なり、熱電発電装置２１に通常のπ型熱電モジュールとは異なる特殊構造の熱電モジュールを備え付けたものである。
この場合、熱電発電装置２１は、図５の実施形態と同様に、内部に冷却水Ｗが供給される第１の筒部としての内筒部１２と、この内筒部１２の外側に所定間隔をおいて同心状に配置される第２の筒部としての外筒部１３をそれぞれ楕円あるいは長円形状に形成したものである。そして、内筒部１２内に一端部を貫通させて設けられる冷却フィン１４は内筒部１２と外筒部１３相互間に横並びに一定間隔で、図示例では片側５個づつ、それぞれ平行に並設し、一端部を長円形の壁面をそれぞれ貫通させて外筒部１３の外側に延設させている。
【００２８】
熱電発電装置２１の内筒部１２と外筒部１３相互間の各冷却フィン１４の両側壁部の間には、熱電変換手段としての特殊構造熱電変換モジュール２５がそれぞれ配設されている。
熱電変換手段としての特殊構造熱電変換モジュール２５は、一般的なπ型熱電モジュールの両面に取り付けられた絶縁基板および電極の片面を取り除いたものを２枚作成して向い合せ、それぞれの対面に位置する熱電素子を金属製の接合部材で接続して２枚を一体化し、新たに１枚の熱電変換モジュールとして構成したものである。
【００２９】
この特殊構造熱電変換モジュール２５の具体的な構造を図７の拡大図で説明する。
熱電素子としては、ｐ型半導体を用いた熱電変換素子２６Ａと、ｎ型半導体を用いた熱電変換素子２６Ｂを、金属製接合部材を用いた接続部材２７で接続して構成している。この熱電素子の左右の熱電変換素子２６Ａと、熱電変換素子２６Ｂが交互になるように平行に配置して、合隣り合う熱電変換素子２６Ａと熱電変換素子２６Ｂを電極２８でそれぞれ電気的に直列接続になるように接続している。これら電極２８の外側に絶縁基板２９を配置して絶縁基板２９相互で熱電素子を挟持して特殊構造熱電変換モジュール２５を構成し、この特殊構造熱電変換モジュール２５を、密着材３０を介して熱伝達部材としての冷却フィン１４相互間に密着させている。
【００３０】
この特殊構造熱電変換モジュール２５が排ガス流路内の冷却フィン１４相互間に配置されて熱電発電装置２１を構成している。ｐ型半導体を用いた熱電変換素子２６Ａと、ｎ型半導体を用いた熱電変換素子２６Ｂを説明すると、ｐ型半導体およびｎ型半導体と接続部材２７が接している面が高温面となり発電することができ、金属製接合部材を用いた接続部材２７が加熱用のヒートシンクの役割を担うことができる。そのため、ｐ型半導体およびｎ型半導体との間にヒートシンクや密着材、絶縁基板を介在させる必要がない。結果的に高温面側の温度を高くでき、温度差がより大きくなるため、単位面積、質量あたりの発電量を増加できる。接続部材２７は電気伝導性を有する必要があるため、金属部材であることが好ましい。また、接続部材２７をヒートシンクとして使用する場合は比熱が低いほうが好ましい。よって金属部材のなかでも銅もしくは銅を含む合金、又はアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金であることがより好ましい。
【００３１】
熱電変換素子２６Ａ，２６Ｂごとの発電量を増加できるので、一定の総発電量が必要な場合の熱電変換素子２６Ａ，２６Ｂの数を減らすことができる。そのため、熱電変換モジュール２５をコンパクトにすることができ、熱電変換モジュール２５の外側壁を構成する外筒部１３の半径を小さくできるため、外筒部１３の表面と外気との接触面積を減らすことができる。結果的に外筒部１３の表面から外気へと逃げる熱量を減らすことができ、排ガスＧの温度を維持できる。熱電変換モジュール２５は、熱伝達部材に挟まれる位置に設けられ、熱電変換モジュール２５の両側面は熱伝達部材とそれぞれ接している。
【００３２】
両端部に位置する冷却フィン１４の外側には、通常の熱電モジュール１５を配置してもよく、この熱電モジュール１５の加熱面１５ｂには加熱用のヒートシンク１７Ａがそれぞれ配設されている。また、外筒部１３の外側に延設された冷却フィン１４の他端部両面には、空冷のヒートシンク１７Ｂがそれぞれ設置されている。
【００３３】
上記実施の形態の使用状況として、この特殊構造の特殊構造熱電モジュール２５の内部を排ガスＧが通過する。このとき、金属製接合部材を用いた接続部材２７がフィンの役割を果たし、伝熱を促進する。特殊構造熱電モジュール２５内のｐ型半導体を用いた熱電変換素子２６Ａと、ｎ型半導体を用いた熱電変換素子２６Ｂは、金属製接合部材を用いた接続部材２７と接触している面が高温面、電極２８と接している面が低温面となり、この温度差により発電する。
【００３４】
特殊構造熱電モジュール２５の内部における金属製接合部材を用いた接続部材２７がヒートシンクの役割を果たして伝熱を促進するため加熱用のヒートシンクを省くことができ、冷却フィン１４の間隔を狭めることができる。したがって、熱電発電装置２１全体が小型になり、熱電モジュール２５の設置密度が高まり熱電発電装置２１の単位体積・質量あたりの発電量が増大する。また、排ガスＧによる高熱源の熱は金属製接合部材を用いた接続部材２７から直接熱電変換素子２６Ａ，２６Ｂに到達し、通常のπ型熱電モジュールのようにヒートシンク、密着材、絶縁基板を経ることがないため、温度の低下幅が小さく、熱電変換素子２６Ａ，２６Ｂの高温側の温度が高まり、熱電変換素子２６Ａ，２６Ｂの両端における温度差が大きくなって発電量が増大する。
【００３５】
熱伝達部材としての冷却フィン１４によって熱電モジュール２５を挟み込むため、熱電モジュール２５に配置された熱電変換素子２６Ａ，２６Ｂの低温面を効率良く冷やすことができ、発電効率を向上できる。また前記実施の形態と同様に、冷却フィン１４の外側には、空冷ヒートシンク１７Ｂを付加しているので、外気による冷却によって更に効率よく冷却することができる。
さらに、熱伝達部材で挟み込むことによって熱電モジュール２５が固定されるため、熱電モジュール２５のがたつきを抑えることができ、走行時の振動などによって熱電変換素子２６Ａ，２６Ｂが破損してしまう可能性を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
なお、本発明は前記実施の形態のみに限定されるものではなく、例えば、図１の実施の形態では、冷却フィン４は約９０度間隔で半径方向に四か所に配置したが、６０度間隔で６か所に設けてもよく４５°間隔で８か所に設けてもよい。等、必要に応じて冷却フィン４の数は増減することができる。また、図１では内筒部２および外筒部３は同心円状に配置しているが、図３のように楕円形あるいは長円形状に形成したものを用いることもできる。さらに、図１および図３では、冷却フィン４，１４としては四角形の板状のプレートを用いたが多角形あるいは三角形のものでもよく、また、熱電変換手段としての熱電モジュール５、１５の大きさあるいは形状も必要に応じて変形したものを用いることができる。さらに、冷却フィン４，１４として循環自励振動式ヒートパイプを用いることもできる。また、図６の他の実施の形態における金属製接合部材を用いた接続部材２７は、直線形状の金属製接合部材を用いたが、直線に限る必要はなく、円弧状にしてもよい。金属製接合部材の形状を円弧状にした場合、外筒部および内筒部は円弧状となるのが好ましい。等、その他、本発明の技術的思想を変更しない範囲内で適宜変更して実施し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３７】
１，１１，２１  熱電発電装置
２，１２  内筒部  
３，１３  外筒部  
４，１４  冷却フィン  
５，１５  熱電モジュール（または熱電変換素子）
６  断熱材料
７Ａ，１７Ａ  加熱用のヒートシンク  
７Ｂ，１７Ｂ  空冷用のヒートシンク  
２５  特殊構造熱電モジュール
２６Ａ，２６Ｂ  熱電変換素子
２７  接続部材
２８  電極
Ｗ  冷却水
Ｇ  排ガス
【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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【図７】
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