(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管と、前記排気管と同軸上に設けられ、冷却水が流通する冷却水管と、一側面が前記排気管に対向するとともに他側面が前記冷却水管に対向し、前記一側面と前記他側面との温度差に応じて熱電発電を行う複数の熱電変換モジュールとを備え、前記熱電変換モジュールが前記排気管内を流れる排気ガスの排気方向に沿って隙間を介して配列された熱電発電装置であって、
前記熱電変換モジュールの排気方向上流端および排気方向下流端に接触するように、前記熱電変換モジュールの間に熱伝導部が介装された熱伝導手段を備え、
前記熱伝導部は、排気方向に沿って延在する逃げ部を有し、前記逃げ部に排気方向に隣接する前記熱電変換モジュール同士を接続する配線が設けられることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
前記熱伝導手段は、前記複数の熱電変換モジュールと前記排気管との間に連続して介装された高温側熱伝導シートを備え、前記熱伝導部が、排気方向に隣接する前記熱電変換モジュールの排気方向上流端および排気方向下流端に接触するように前記高温側熱伝導シートから前記冷却水管に向かって突出して設けられ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】
前記熱電変換モジュールが、複数のＮ型熱電変換素子およびＰ型熱電変換素子と、前記Ｎ型熱電変換素子およびＰ型熱電変換素子の一側面に設けられ、前記排気管に対向する受熱基板と、前記Ｎ型熱電変換素子およびＰ型熱電変換素子の他側面に設けられ、前記冷却水管に対向する放熱基板とから構成され、前記熱伝導部が、隣接する熱電変換モジュールの前記受熱基板の排気方向上流端および排気方向下流端に接触す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。
【請求項４】
前記熱伝導手段は、前記複数の熱電変換モジュールと前記冷却水管との間に連続して介装された低温側熱伝導シートを備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１の請求項に記載の熱電発電装置。
【請求項５】
前記熱伝導手段が膨張黒鉛から構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１の請求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、熱電発電装置に関し、特に、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等の車両の内燃機関から排出される排気ガス等には、熱エネルギーが含まれているため、排気ガスをそのまま捨てると熱エネルギーの無駄となる。そこで、排気ガスに含まれる熱エネルギーを熱電発電装置によって回収して電気エネルギーに変換し、例えば、バッテリに充電するようにしている。
【０００３】
従来のこの種の熱電発電装置としては、内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管の外周部に熱電変換モジュールの高温側の一側面を対向させるとともに、熱電変換モジュールの低温側の他側面を冷却水が流通する冷却水管に対向させたものが知られている。
【０００４】
この熱電変換モジュールは、半導体等の熱電変換素子、電極、高温側となる受熱基板および低温側となる放熱基板等を含んで構成されており、ゼーベック効果を利用して温度の高い排気ガスと温度の低い冷却水とにより、熱電変換モジュールの高温側と低温側との間に温度差を生じさせて発電を行うようになっている。
【０００５】
ところで、排気管内を流れる排気ガスは、排気管の上流側の熱電変換モジュールによって排気ガスの熱量の多くが奪われてしまい、排気管の下流側において排気ガスの温度が低下してしまう。
【０００６】
このため、排気管の上流側と遮熱空間の下流側とで排気ガスの温度のばらつきが発生してしまい、下流側の熱電変換モジュールの発電効率が上流側の熱電変換モジュールに比べて低下し、結果的に熱電変換モジュールの全体の発電効率が低下してしまうという問題が発生してしまう。
【０００７】
従来、発電効率を向上させることができる熱電発電装置としては、特許文献１に示すようなものが知られている。
この熱電発電装置は、排気管内を流れる排気ガス方向に一定の隙間を介して配列された複数の熱電変換モジュールを備えており、上流側に配置された熱電変換モジュールと、下流側に配置された熱電変換モジュールとの間には、窪みが形成された連結部が設けられている。
【０００８】
この窪みには伝熱板が噛み合って連結部と接触可能となっており、伝熱板が連結部に接触することにより、上流側の熱電変換モジュールに供給される熱を、伝熱板を介して熱電変換モジュールに伝達することによって、下流側の熱電変換モジュールの発電効率が上流側の熱電変換モジュールに比べて低下するのを防止している。
【０００９】
このため、上流側の熱電変換モジュールと下流側の熱電変換モジュールとに加わる温度がばらついてしまうのを抑制して、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる。
【００１０】
また、特許文献１に示す熱伝発電装置は、冷却水管を熱電変換モジュールを介して排気管に押圧する板ばね部材を備えており、板ばねのばね力によって熱電変換モジュールを排気方向に位置決めしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−１３０５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、このような従来の熱電発電装置にあっては、連結部の窪みに噛み合って連結部と接触可能な連結板が設けられているが、この連結板は、熱電発電変換モジュールの上流端と下流端とは接触していないため、排気方向と垂直な方向からしか熱電発電変換モジュールに熱を伝達することができない。
【００１３】
すなわち、連結板と、熱電変換モジュールの上流端および下流端との間に隙間が形成されているため、この隙間から排気ガスの熱が冷却水側に流れてしまい、排気ガスの熱を熱電変換モジュールの排気方向から熱電変換モジュールに伝達することができず、伝熱効率が十分ではない。
【００１４】
また、従来の熱電発電装置は、冷却水管を熱電変換モジュールを介して排気管に押圧する板ばね部材のばね力によって熱電変換モジュールを排気方向に位置決めしているため、熱電変換モジュールの位置決めを行うために板ばねが必要になってしまい、熱電発電装置の部品点数が増大して熱電発電装置の製造コストが増大してしまう。
【００１５】
本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、熱電変換モジュールを位置決めしつつ、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止す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】
【００１６】
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）内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管と、前記排気管と同軸上に設けられ、冷却水が流通する冷却水管と、一側面が前記排気管に対向するとともに他側面が前記冷却水管に対向し、前記一側面と前記他側面との温度差に応じて熱電発電を行う複数の熱電変換モジュールとを備え、前記熱電変換モジュールが前記排気管内を流れる排気ガスの排気方向に沿って隙間を介して配列された熱電発電装置であって、前記熱電変換モジュールの排気方向上流端および排気方向下流端に接触するように、前記熱電変換モジュールの間に熱伝導部が介装された熱伝導手段を備え、前記熱伝導部は、排気方向に沿って延在する逃げ部を有し、前記逃げ部に排気方向に隣接する前記熱電変換モジュール同士を接続する配線が設けられる構成を有する。
【００１７】
この熱電発電装置は、熱電変換モジュールの排気方向上流端および排気方向下流端に接触するように、熱電変換モジュールの間に熱伝導部が介装されているので、熱電変換モジュールの間の隙間から冷却水管に流れる熱を熱伝導部を介して熱電変換モジュールの排気方向上流端と下流端とに伝達することができる。このため、熱電変換モジュールの隙間から流れる排気ガスの熱を有効利用して上流側の熱電変換モジュールと下流側の熱電変換モジュールとに加わる温度が排気方向にばらついてしまうのを抑制して、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる。
【００１８】
また、熱電変換モジュールの排気方向上流端および排気方向下流端に接触するように、熱電変換モジュールの間に熱伝導部が介装されているので、熱伝導部によって熱電変換モジュールを排気方向に位置決めすることができる。このため、熱電発電装置の部品点数が増大するのを防止して熱電発電装置の製造コストを低減することができる。
【００１９】
さらに、熱伝導部に、排気方向に沿って延在する逃げ部を有し、逃げ部に排気方向に隣接する熱電変換モジュール同士を接続する電線が設けられるので、配線を介して隣接する熱電変換モジュールを確実に接続することができる。
【００２０】
上記（１）に記載の熱電発電装置において、（２）前記熱伝導手段は、前記複数の熱電変換モジュールと前記排気管との間に連続して介装された高温側熱伝導シートを備え、前記熱伝導部が、排気方向に隣接する前記熱電変換モジュールの排気方向上流端および排気方向下流端に接触するように前記高温側熱伝導シートから前記冷却水管に向かって突出して設けられるものから構成されている。
【００２１】
この熱電発電装置は、複数の熱電変換モジュールと前記排気管との間に連続して介装された高温側熱伝導シートを備えているので、熱電変換モジュールと排気管との密着性を向上させて排気ガスの熱の伝達効率を向上させることができる。
【００２２】
また、熱伝導部が、排気方向に隣接する熱電変換モジュールの排気方向上流端および排気方向下流端に接触するように高温側熱伝導シートから冷却水管に向かって突出して設けられるので、高温側熱伝導シートを介して排気方向に隣接する熱電変換モジュールに熱を伝えることができ、排気方向に隣接する熱電変換モジュールの温度差を小さくすることができる。
【００２３】
このため、上流側の熱電変換モジュールの発電量が低下するのを防止することができる。具体的には、上流側の熱電変換モジュールと下流側の熱電変換モジュールとの温度差が大きいと、上流側の熱電変換モジュールと下流側の熱電変換モジュールとで発電量が異なる。
【００２４】
この場合には、発電量が高い熱電変換モジュールから発電量が低い熱電変換モジュールに逆電圧がかかり、ペルチェ効果によって温度差が小さくなる方向に熱移動が起こる。
したがって、上流側の熱電変換モジュールと下流側の熱電変換モジュールとの温度差が大きいと、上流側の熱電変換モジュールから下流側の熱電変換モジュールへの逆電圧が大きくなり、上流側の熱電変換モジュールの発電量が低下してしまう現象が発生する。
【００２５】
本発明では、上流側の熱電変換モジュールと下流側の熱電変換モジュールとの温度差を小さくすることができるため、上流側の熱電変換モジュールから下流側の熱電変換モジュールに加わる逆電圧を小さくすることができ、上流側の熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる。
【００２６】
上記（１）または（２）に記載の熱電発電装置において、（３）前記熱電変換モジュールが、複数のＮ型熱電変換素子およびＰ型熱電変換素子と、前記Ｎ型熱電変換素子およびＰ型熱電変換素子の一側面に設けられ、前記排気管に対向する受熱基板と、前記Ｎ型熱電変換素子およびＰ型熱電変換素子の他側面に設けられ、前記冷却水管に対向する放熱基板とから構成され、前記熱伝導部が、少なくとも隣接する熱電変換モジュールの前記受熱基板の排気方向上流端および排気方向下流端に接触するものから構成されている。
【００２７】
この熱電発電装置は、熱伝導部が、少なくとも隣接する熱電変換モジュールの受熱基板の排気方向上流端および排気方向下流端に接触するので、熱電変換モジュールの間の隙間から冷却水管に流れる熱を熱伝導部を介して熱電変換モジュールの受熱基板の排気方向上流端と下流端とに伝達することができる。
【００２８】
このため、熱電変換モジュールの隙間から流れる排気ガスの熱を有効利用して上流側の熱電変換モジュールと下流側の熱電変換モジュールとに加わる温度が排気方向にばらついてしまうのを抑制して、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる。
【００３１】
上記（１）〜（３）に記載の熱電発電装置において、（４）前記熱伝導手段は、前記複数の熱電変換モジュールと前記冷却水管との間に連続して介装された低温側熱伝導シートを備えたものから構成されている。
【００３２】
この熱電発電装置は、熱電変換モジュールと冷却水管との間に連続して介装された低温側熱伝導シートが設けられるので、熱電変換モジュールと冷却水管との密着性を向上させて排気ガスの熱の伝達効率を向上させることができる。
【００３３】
このため、熱電変換モジュールの一側面と他側面との熱伝導効率を向上させて、熱電変換モジュールの一側面と他側面との温度差を大きくすることができ、熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。
【００３４】
上記（１）〜（４）に記載の熱電発電装置において、（５）前記熱伝導手段が膨張黒鉛から構成されている。膨張黒鉛は、層方向に対して垂直方向に数十倍の熱伝導率を有する。このため、熱伝導部に膨張黒鉛を用い、この膨張黒鉛を、排気方向と垂直な方向に対して排気方向に熱伝導が高くなるように熱電変換モジュールの間に介装すれば、膨張黒鉛に伝達された熱を熱電変換モジュールの排気方向上流端と下流端とに効率よく伝達することができ、上流側の熱電変換モジュールと下流側の熱電変換モジュールとの温度がばらつくのを抑制することができる。
【００３５】
また、膨張黒鉛から高温側熱伝導シートおよび低温側熱伝導シートを構成すれば、高温側熱伝導シートおよび低温側熱伝導シートの排気方向の熱伝導効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、熱電変換モジュールを位置決めしつつ、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置を備えるエンジンの排気系の概略構成図である。
【図２】本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の側面断面図である。
【図３】本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、図２のＡ−Ａ方向矢視断面図である。
【図４】本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電発電モジュールの斜視図である。
【図５】本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の要部側面断面図である。
【図６】本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱伝導プレートの上面図である。
【図７】本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の側面断面図である。
【図８】本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、図７のＢ−Ｂ方向矢視断面図である。
【図９】本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、熱伝導シートの上面図である。
【図１０】本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の要部側面断面図である。
【図１１】本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、他の構成の熱伝導シートを有する熱電発電装置の要部側面断面図である。
【図１２】本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、他の構成の熱伝導シートを有する熱電発電装置の要部側面断面図である。
【図１３】本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、他の構成の熱伝導シートを有する熱電発電装置の要部側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明に係る熱電発電装置の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、熱電発電装置を、自動車等の車両に搭載される水冷式の多気筒の内燃機関、例えば４サイクルガソリンエンジン（以下、単にエンジンという）に適用した場合について説明している。また、エンジンは、ガソリンエンジンに限定されるものではない。
（第１の実施の形態）
図１〜図６は、本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図である。
まず、構成を説明する。
図１に示すように、自動車等の車両に搭載される内燃機関としてのエンジン１は、吸気系から供給される空気と燃料供給系から供給される燃料とを適宜の空燃比で混合して成る混合気を燃焼室に供給して燃焼させた後、この燃焼に伴って発生する排気ガスを排気系から大気に放出するようになっている。
【００３９】
排気系は、エンジン１に取り付けられたエキゾーストマニホールド２と、このエキゾーストマニホールド２に球面継手３を介して連結された排気管４とを含んで構成されており、エキゾーストマニホールド２と排気管４とによって排気通路が形成されている。
【００４０】
球面継手３は、エキゾーストマニホールド２と排気管４との適度な揺動を許容するとともに、エンジン１の振動や動きを排気管４に伝達させないか、あるいは減衰して伝達するように機能する。
【００４１】
排気管４上には、２つの触媒５、６が直列に設置されており、この触媒５、６により排気ガスが浄化されるようになっている。
【００４２】
この触媒５、６のうち、排気管４において排気ガスの排気方向の上流側に設置される触媒５は、所謂、スタートキャタリスタ（Ｓ／Ｃ）と呼ばれるものであり、排気管４において排気ガスの排気方向の下流側に設置される触媒６は、所謂、メインキャタリスタ（Ｍ／Ｃ）またはアンダーフロアキャタリスタ（Ｕ／Ｆ）と呼ばれるものである。
【００４３】
これらの触媒５、６は、例えば三元触媒により構成されている。この三元触媒は、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一括して化学反応により無害な成分に変化させるといった浄化作用を発揮する。
【００４４】
エンジン１の内部には、ウォータジャケットが形成されており、このウォータジャケットにはロングライフクーラント（ＬＬＣ）と呼ばれる冷却液（以下、単に冷却水と言う）が充填されている。
【００４５】
この冷却水は、エンジン１に取付けられた導出管８から導出された後、ラジエータ７に供給され、このラジエータ７から冷却水の還流管９を経てエンジン１に戻されるようになっている。
【００４６】
ラジエータ７は、ウォータポンプ１０によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却するものである。
【００４７】
また、還流管９にはバイパス管１２が連結されており、このバイパス管１２と還流管９との間にはサーモスタット１１が介装され、このサーモスタット１１によって、ラジエータ７を流通する冷却水量とバイパス管１２を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。
例えば、エンジン１の暖機運転時においてはバイパス管１２側の冷却水量が増加されて暖機が促進されるようになっている。
【００４８】
バイパス管１２にはヒータ配管１３が連結されており、このヒータ配管１３の途中には、ヒータコア１４が設けられている。このヒータコア１４は、冷却水の熱を利用して車室内の暖房を行うための熱源である。
【００４９】
このヒータコア１４によって暖められた空気は、ブロアファン１５によって車室内に導入されるようになっている。なお、ヒータコア１４とブロアファン１５とによりヒータユニット１６が構成されている。
【００５０】
また、ヒータ配管１３には後述する熱電発電装置１７に冷却水を供給する上流側配管１８ａが設けられており、熱電発電装置１７と還流管９との間には熱電発電装置１７から還流管９に冷却水を排出する下流側配管１８ｂが設けられている。
【００５１】
このため、熱電発電装置１７において排熱回収動作（この排熱回収動作の詳細については後述する）が行われている場合には、下流側配管１８ｂを流れる冷却水は、上流側配管１８ａを流れる冷却水の温度よりも高くなる。
【００５２】
一方、エンジン１の排気系には、熱電発電装置１７が設けられており、この熱電発電装置１７は、エンジン１から排出される排気ガスの熱を回収し、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている。
【００５３】
図２、図３に示すように、熱電発電装置１７は、エンジン１から排出された排気ガスＧが導入される内管２１と、内管２１の外方に設けられ、内管２１との間で受熱通路２２を形成する排気管としての外管２３とを備えている。
【００５４】
内管２１の上流端は、排気管４に連結されており、内管２１の内部には排気管４から排気ガスＧが導入される排気通路２５が形成されている。内管２１は、支持部材２４を介して外管２３に固定されており、外管２３の下流端は、テールパイプ１９に連結されている。
【００５５】
このため、エンジン１から排気管４を通して内管２１の排気通路２５に排出された排気ガスＧは、排気通路２５を通してテールパイプ１９に排出された後、テールパイプ１９から外気に排出される。
【００５６】
外管２３の内周部には内管２１に向かって放熱フィン２３Ａが形成されており、受熱通路２２を流れる排気ガスは、放熱フィン２３Ａを通し外管２３に伝達される。
また、熱電発電装置１７は、熱電変換モジュール２７と、外管２３と同軸上に設けられた筒状の冷却水管２８とを備えている。
【００５７】
図４に示すように、熱電変換モジュール２７は、高温側の受熱部を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板２９と、低温側の放熱部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板３０との間に、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生するＮ型熱電変換素子３１およびＰ型熱電変換素子３２が複数個設置されており、Ｎ型熱電変換素子３１およびＰ型熱電変換素子３２が電極３３ａ、３３ｂを介して交互に直列に接続されている。また、排気方向に隣接する熱電変換モジュール２７は、配線３５を介して電気的に連結されている。
【００５８】
図２において、熱電変換モジュール２７は、排気方向に一定の長さの隙間４１を介して配列されている。熱電変換モジュール２７と外管２３の外周部２３ａとの間には熱伝導手段を構成する熱伝導部としての熱伝導プレート４２が介装されており、熱伝導プレート４２は、例えば、膨張黒鉛から構成されている。
【００５９】
図５に示すように、熱伝導プレート４２は、隣接する熱電変換モジュール２７の受熱基板２９の排気方向上流端（以下、単に上流端という）２９ａと排気方向下流端（以下、単に下流端という）２９ｂとに接触するように、熱電変換モジュール２７の間に介装されている。なお、図５では、電極３３ａ、３３ｂを省略している。また、受熱基板２９は、熱電変換モジュール２７の一側面を構成し、放熱基板３０は、熱電変換モジュール２７の他側面を構成している。
【００６０】
図６に示すように、熱伝導プレート４２には排気方向に沿って延在する逃げ部としてのレール溝４２Ａが形成されており、このレール溝４２Ａには排気方向に隣接する熱電変換モジュール２７同士を接続する配線３５が設けられている。このため、配線３５は、熱伝導プレート４２に妨げられることなく、熱電変換モジュール２７同士を確実に接続することができる。
【００６１】
なお、熱電変換モジュール２７は、略正方形のプレート形状をしており、外管２３および冷却水管２８の間に密着させる必要があるため、外管２３および冷却水管２８は、図３に示すように、多角形に形成されている。
【００６２】
また、外管２３および冷却水管２８は、円形であってもよい。この場合には、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９および放熱基板３０等を湾曲させるようにすればよい。
【００６３】
図２、図３に示すように、冷却水管２８は、上流側配管１８ａに連結される冷却水導入部２８ａおよび下流側配管１８ｂに連結される冷却水排出部２８ｂを備えている。
この冷却水管２８は、冷却水導入部２８ａから冷却水管２８に導入された冷却水が排気ガスＧの排気方向と同方向に流れるように、冷却水導入部２８ａに対して冷却水排出部２８ｂが排気方向下流側に設けられている。このため、冷却水は、受熱通路２２に流れる排気ガスＧの流れと同方向に流れる。
【００６４】
図２に示すように、内管２１には複数の連通孔３６が形成されており、この連通孔３６は、内管２１の内部と受熱通路２２とを連通している。この連通孔３６は、内管２１の円周方向に等間隔に形成されているとともに、内管２１内を流れる排気ガスＧの排気方向、すなわち、内管２１の延在方向に沿って配列されている。なお、連通孔３６は、等間隔に形成されるものに限定されない。
【００６５】
また、支持部材２４には支持部材２４の円周方向に亘って等間隔に連通孔２４ａが形成されており、受熱通路２２は、連通孔２４ａを通してテールパイプ１９に連通している。なお、連通孔２４ａは、等間隔に形成されるものに限定されない。
【００６６】
また、内管２１には開閉弁２６が設けられており、この開閉弁２６は、内管２１の下流端に設けられ、内管２１を開閉するように外管２３に回動自在に取付けられている。この開閉弁２６は、排気通路２５を流れる排気ガスＧの圧力の大きさに応じて自動的に開閉するものである。
【００６７】
すなわち、開閉弁２６は、排気ガスＧの圧力が低いエンジン１のアイドリング時や低負荷走行時には、図２に実線で示すように、内管２１を閉塞することにより、内管２１に導入された排気ガスＧを受熱通路２２に導入する。
【００６８】
また、開閉弁２６は、排気ガスＧの圧力が高いエンジン１の高負荷走行時には、図２に破線で示すように、内管２１を解放する。このため、熱電発電装置１７は、排気ガスＧの背圧が高くなるのを防止して、排気性能が低下するのを防止することができる。
【００６９】
次に、作用を説明する。
エンジン１の冷間始動時には、触媒５、６、エンジン１の冷却水の全てが低温（外気温程度）になっている。
【００７０】
この状態からエンジン１が始動されると、エンジン１の始動に伴いエンジン１からエキゾーストマニホールド２を経て排気管４に、例えば３００〜４００℃の排気ガスＧが排出されることになり、２つの触媒５、６が排気ガスＧにより昇温されることになる。
【００７１】
また、冷却水がラジエータ７を通らずにバイパス管１２を経てエンジン１に戻されることによって暖機運転が行われることになる。
【００７２】
エンジン１の冷間始動時には、例えば、エンジン１のアイドリングが行われて排気ガスＧの圧力が低いため、開閉弁２６が閉じた状態となる。このため、排気管４から内管２１の排気通路２５に導入された排気ガスＧが受熱通路２２に導入され、受熱通路２２を通過する排気ガスＧによって冷却水管２８を流通する冷却水Ｗが昇温され、エンジン１の暖機が促される。
【００７３】
また、エンジン１の暖機後のエンジン１が低負荷走行時には、排気ガスＧの温度が高温となっても排気ガスＧの圧力が低いため、開閉弁２６が閉じた状態となる。このため、排気管４から内管２１の排気通路２５に導入された排気ガスＧが受熱通路２２に導入される。このときには、熱電変換モジュール２７によって排気ガスＧの熱エネルギーを圧力エネルギーに効率よく変換される。
【００７４】
また、エンジン１の高負荷走行時にはエンジン１の冷却性能を高める必要がある。エンジン１の高負荷走行時には、例えば、エンジン１が高回転となって排気ガスＧの圧力が高くなるため、内管２１に導入された排気ガスＧの圧力が高くなり、開閉弁２６が解放される。
【００７５】
開閉弁２６が解放されると、排気通路２５とテールパイプ１９が連通し、排気ガスＧは、受熱通路２２を流れることがなく、排気通路２５からテールパイプ１９に直接、排出される。このため、高温の排気ガスＧによって冷却水管２８を流通する冷却水Ｗが昇温されることがない。
【００７６】
このとき、サーモスタット１１によってバイパス管１２と還流管９との連通が遮断されるので、エンジン１から導出管８を介して導出された冷却水がラジエータ７を介して還流管９に導出される。
【００７７】
このため、エンジン１に低温の冷却水が供給され、エンジン１の冷却性能を高めることができる。
【００７８】
また、エンジン１の高負荷走行時には開閉弁２６が解放されるので、排気通路２５を流れる排気ガスＧの背圧が高くなることがなく、排気ガスＧの排気性能が低下するのを防止することができる。
【００７９】
次いで、暖機終了後のエンジン１の低負荷走行時の熱電発電装置１７の作用を説明する。
【００８０】
排気ガスＧの圧力が小さいと、開閉弁２６によって内管２１が閉塞され、排気通路２５とテールパイプ１９との連通が遮断される。
【００８１】
本実施の形態の熱電発電装置１７は、熱電変換モジュール２７が受熱通路２２を流れる排気ガスの排気方向に沿って隙間４１を介して配列され、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９の上流端２９ａおよび下流端２９ｂに接触するように、熱電変換モジュール２７の間に熱伝導プレート４２を介装した。
【００８２】
このため、熱電変換モジュール２７の間の隙間４１から冷却水管２８に流れる熱を、熱伝導プレート４２を介して熱電変換モジュール２７の受熱基板２９の上流端２９ａと下流端２９ｂとに伝達することができる。
【００８３】
したがって、熱電変換モジュール２７の隙間４１から流れる熱を有効利用して上流側の熱電変換モジュール２７と下流側の熱電変換モジュール２７とに加わる温度が排気方向にばらついてしまうのを抑制して、熱電変換モジュール２７の発電効率が低下するのを防止することができる。
【００８４】
また、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９の上流端２９ａおよび下流端２９ｂに接触するように、熱電変換モジュール２７の間に熱伝導プレート４２が介装されているので、熱伝導プレート４２によって熱電変換モジュール２７を排気方向に位置決めすることができる。このため、熱電発電装置１７の部品点数が増大するのを防止して熱電発電装置１７の製造コストを低減することができる。
【００８５】
また、本実施の形態では、熱伝導プレート４２が膨張黒鉛から構成されているため、膨張黒鉛に伝達された熱を熱電変換モジュール２７の排気方向上流端と下流端とに効率よく伝達することができる。
【００８６】
具体的には、膨張黒鉛は、六角形の板状結晶構造で、層状に構成されており、層の面内は、共有結合で炭素同士が繋がっており、強固でかつ電子が移動し易い。したがって、層方向は、電気伝導度および熱伝導度が高い。
【００８７】
膨張黒鉛は、黒鉛に有機成分を添加し、層方向と垂直な方向に膨張させることで、層間距離が広げられているため、層方向に垂直な方向に空間が存在している。このため、圧縮力に対して変形させることができる。
また、膨張黒鉛は、層方向は、層方向と垂直な方向に対して１桁高い熱伝導率を有するため、層方向と垂直な方向の温度が均一になろうと層方向と垂直な方向に熱が移動する。
【００８８】
本実施の形態では、熱伝導プレート４２を膨張黒鉛から構成し、熱伝導プレート４２の層方向と垂直な方向が排気方向となるように熱伝導プレート４２を隣接する熱電変換モジュール２７の間に介装することにより、熱伝導プレート４２に伝達された熱を熱電変換モジュール２７の受熱基板２９の上流端２９ａと下流端２９ｂとに効率よく伝達することができ、上流側の熱電変換モジュール２７と下流側の熱電変換モジュール２７との温度がばらつくのをより一層抑制することができる。
【００８９】
（第２の実施の形態）
図７〜図１３は、本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、第１の実施の形態と同一の構成には同一番号を付して説明を省略する。
図６〜図９において、熱電変換モジュール２７と外管２３の外周部２３ａとの間には熱伝導手段を構成する高温側熱伝導シートとしての熱伝導シート５１が介装されており、熱伝導シート５１は、膨張黒鉛から構成されている。この熱伝導シート５１は、複数の熱電変換モジュール２７と外管２３との間に連続して介装された単体の熱伝導シートである。
【００９０】
また、熱電変換モジュール２７と冷却水管２８の内周部２８ｃとの間には熱伝導手段を構成する低温側熱伝導シートとしての熱伝導シート５２が介装されており、この熱伝導シート５２は、膨張黒鉛から構成されている。この熱伝導シート５２は、複数の熱電変換モジュール２７と冷却水管２８との間に連続して介装された単体の熱伝導シートである。
【００９１】
また、熱伝導シート５１には嵌合溝５１Ｂが形成されており、この嵌合溝５１Ｂには熱電変換モジュール２７の周囲が取り囲まれるようにして熱電変換モジュール２７が嵌合されるようになっている。
【００９２】
また、熱伝導シート５１には熱伝導部としての凸部５１Ａが一体的に設けられており、この凸部５１Ａは、隣接する熱電変換モジュールの受熱基板２９の上流端２９ａと下流端２９ｂとに接触するように、熱伝導シート５１から冷却水管２８に向かって突出している。
【００９３】
なお、本実施の形態では、熱伝導シート５１、凸部５１Ａ、熱伝導シート５２が熱伝導手段を構成している。なお、図９では、電極３３ａ、３３ｂを省略している。
【００９４】
図９、図１０に示すように、熱伝導シート５１の凸部５１Ａには逃げ部としてのレール溝５１ａが形成されており、このレール溝５１ａには排気方向に隣接する熱電変換モジュール２７同士を接続する配線３５が設けられている。このため、配線３５は、凸部５１Ａに妨げられることなく、熱電変換モジュール２７同士を確実に接続することができる。
【００９５】
本実施の形態では、複数の熱電変換モジュール２７と外管２３との間に連続して介装され、膨張黒鉛から構成された熱伝導シート５１を備え、この熱伝導シート５１に、排気方向に隣接する熱電変換モジュール２７の受熱基板２９の上流端２９ａおよび下流端２９ｂに接触するように熱伝導シート５１から冷却水管２８に向かって突出する凸部５１Ａを形成したので、凸部５１Ａによって熱電変換モジュール２７を排気方向に位置決めすることができる。このため、熱電発電装置１７の部品点数が増大するのを防止して熱電発電装置１７の製造コストを低減することができる。
【００９６】
また、本実施の形態では、熱伝導シート５１を介して排気方向に隣接する熱電変換モジュール２７に熱を伝えることができ、排気方向に隣接する熱電変換モジュール２７の温度差を小さくすることができる。
【００９７】
このため、上流側の熱電変換モジュール２７の発電量が低下するのを防止することができる。具体的には、上流側の熱電変換モジュール２７と下流側の熱電変換モジュール２７との温度差が大きいと、上流側の熱電変換モジュール２７と下流側の熱電変換モジュール２７とで発電量が異なる。この場合には、発電量が高い熱電変換モジュール２７から発電量が低い熱電変換モジュール２７に逆電圧がかかり、ペルチェ効果によって温度差が小さくなる方向に熱移動が起こる。
【００９８】
したがって、上流側の熱電変換モジュール２７と下流側の熱電変換モジュール２７との温度差が大きいと、上流側の熱電変換モジュール２７から下流側の熱電変換モジュール２７への逆電圧が大きくなり、上流側の熱電変換モジュール２７の発電量が低下してしまう現象が発生する。
【００９９】
本実施の形態では、熱電変換モジュール２７は外管２３との間に熱伝導シート５１を介装し、熱伝導シート５１の凸部５１Ａに隣接する熱電変換モジュール２７の受熱基板２９の上流端２９ａと下流端２９ｂとを接触させているため、上流側の熱電変換モジュール２７と下流側の熱電変換モジュール２７との温度差を小さくすることができる。
【０１００】
この結果、上流側の熱電変換モジュール２７から下流側の熱電変換モジュール２７に加わる逆電圧を小さくすることができ、上流側の熱電変換モジュール２７の発電効率が低下するのを防止することができる。
【０１０１】
本実施の形態では、特に、熱伝導シート５１を膨張黒鉛から構成している。この膨張黒鉛は、上述したように、層方向は、層方向と垂直な方向に対して１桁高い熱伝導率を有するため、層方向と垂直な方向の温度が均一になろうと層方向と垂直な方向に熱が移動する。
【０１０２】
本実施の形態では、熱伝導シート５１の層方向と垂直な方向が排気方向となるように熱伝導シート５１を熱電変換モジュール２７と外管２３との間に介装することにより、熱伝導シート５１を介して排気方向に熱を効率よく移動させることができ、上流側の熱電変換モジュール２７と下流側の熱電変換モジュール２７との温度のばらつきを抑制することができる。
【０１０３】
また、上述したように膨張黒鉛は、黒鉛に有機成分を添加し、層方向と垂直な方向に膨張させることで、層間距離が広げられているため、層方向に垂直な方向に空間が存在することから、圧縮力に対して変形させることができる。
【０１０４】
このため、外管２３と受熱基板２９の表面に凹凸が存在した場合であっても、熱伝導シート５１によって熱電変換モジュール２７と外管２３との密着性を向上させることができる。
【０１０５】
また、本実施の形態では、複数の熱電変換モジュール２７と冷却水管２８との間に連続して介装された熱伝導シート５２を備えているので、冷却水管２８と放熱基板３０の表面とに凹凸が存在した場合であっても、熱伝導シート５２によって熱電変換モジュール２７と冷却水管２８との密着性を向上させることができる。
【０１０６】
このため、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９と放熱基板３０との熱伝導効率を向上させて、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９と放熱基板３０との温度差を大きくすることができ、熱電変換モジュール２７の発電効率を向上させることができる。
【０１０７】
なお、本実施の形態では、図１１に示すように、熱伝導シート５１、５２に、アルミニウム、銅、ステンレス等からなる薄い金属プレート５３、５４を内蔵し、熱伝導シート５１、５２の剛性を高めるようにしてもよい。
【０１０８】
また、図１２に示すように、熱伝導シート５１、５２の両面に、アルミニウム、銅、ステンレス等からなる薄い金属箔５４ａ、５４ｂ、５５ａ、５５ｂを設け、熱伝導シート５１、５２の剛性を高めるようにしてもよい。
【０１０９】
また、本実施の形態では、熱伝導シート５１に凸部５１Ａを設けているが、図１３に示すように、熱伝導シート５２に凸部５２Ａを設けてもよい。このようにすれば、凸部５１Ａ、５２Ａによって熱電変換モジュール２７の位置決めを行うことができる。
【０１１０】
以上のように、本発明に係る熱電発電装置は、熱電変換モジュールを位置決めしつつ、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができるという効果を有し、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置等として有用である。
【符号の説明】
【０１１１】
１  エンジン（内燃機関）
１７  熱電発電装置
２３  外管（排気管）
２３ａ  外周部
２７  熱電変換モジュール
２８  冷却水管
２８ｃ  内周部
２９  受熱基板（一側面）
２９ａ  排気方向上流端
２９ｂ  排気方向下流端
３０  放熱基板（他側面）
３１  Ｎ型熱電変換素子
３２  Ｐ型熱電変換素子
３５  配線
４１  隙間
４２  熱伝導プレート（受熱部、熱伝導手段）
４２Ａ、５１ａ  レール溝（逃げ部）
５１  熱伝導シート（高温側熱伝導シート、熱伝導手段）
５１Ａ  凸部（熱伝導部）
５２  熱伝導シート（低温側熱伝導シート、熱伝導手段）
【図１】
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【図２】
0005737151.tif 000003
【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】
0005737151.tif 000008
【図８】
0005737151.tif 000009
【図９】
0005737151.tif 000010
【図１０】
0005737151.tif 000011
【図１１】
0005737151.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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