(57)【要約】【課題】熱電変換効率に優れる排熱発電装置を提供することを課題とする。【解決手段】排気管を流れる排気ガスの熱エネルギを伝導する熱交換手段（熱交換部材）１２Ａ，・・・と、冷却手段（冷却部）８，・・・と、熱交換手段１２と冷却手段８との間に配置され、熱交換手段１２によって伝導された熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換手段（熱電変換モジュール）１３，・・・とを備える排熱発電装置１であって、熱エネルギが移動する系において冷却手段８の剛性を最も高くし、管本体（分割排気管本体）５と熱交換手段１２とからなる排気通路系において熱交換手段１２の基台の剛性を最も高くし、弾性手段（ばねクランプ部）１４により冷却手段８を外側から押圧して熱電変換手段１３を固定することを特徴とする。【選択図】  図４
2004208476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換手段と、熱電変換手段の一面側に配置され、排気管を流れる排気ガスの熱エネルギを伝導する熱交換手段と、熱電変換手段の他面側に配置され、熱電変換手段を冷却する冷却手段とを備える排熱発電装置であって、
前記熱電変換手段、前記熱交換手段及び前記冷却手段において前記冷却手段の剛性を最も高くすることを特徴とする排熱発電装置。
【請求項２】
前記熱交換手段は、排気ガスの熱エネルギを伝導する熱交換フィンと、一面に熱交換フィンが設けられるとともに他面に前記熱電変換手段が配置される基台とを有し、
前記排気管は、排気通路の骨格を形成する管本体を有し、
前記管本体に前記基台が取り付けられて、前記熱交換フィンが前記排気管内に位置し、前記排気管と前記熱交換手段とにより排気通路系を構成し、
前記排気通路系において前記基台の剛性を最も高くすることを特徴とする請求項１に記載する排熱発電装置。
【請求項３】
前記管本体を前記熱交換手段より熱膨張率の小さい材料で形成することを特徴とする請求項２に記載する排熱発電装置。
【請求項４】
前記管本体を前記排熱発電装置の中央部に配置し、前記管本体に取り付けられた前記熱交換手段の外周部に前記熱電変換手段を配置し、前記熱電変換手段の外周部に前記冷却手段を配置し、
前記冷却手段の外側に配置される弾性手段を備え、
前記弾性手段により前記冷却手段を外側から押圧して前記熱電変換手段を固定する弾性システムを構成することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載する排熱発電装置。
【請求項５】
前記熱電変換手段は、熱電素子からなるモジュールで構成され、
前記弾性システムの１つのユニットを前記モジュール単位で構成することを特徴とする請求項４に記載する排熱発電装置。
【請求項６】
前記弾性手段は、ばねと、押圧部材とを有し、
前記押圧部材が前記ばねに対して点接触又は線接触することを特徴とする請求項４又は５に記載する排熱発電装置。
【請求項７】
前記熱交換手段及び前記管本体は、変形可能な形状を有し、
前記熱交換手段の変形方向と前記管本体の変形方向とが逆方向になるように構成することを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載する排熱発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する排熱発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンからの排出された排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換することによって、排熱からエネルギを回収する排熱発電装置が開発されている。排熱発電装置では、排気ガスが流れる排気管（高温側）と冷却部（低温側）との間に熱電変換モジュールを配置し、この高温側と低温側との温度差に応じて熱電変換モジュールの各熱電素子で発電している（特許文献１参照）。排熱発電装置における熱電変換効率を向上させるためには、高温側の温度を上げるとともに、高温側と低温側との温度差を大きくする必要がある。そのためには、高温側及び低温側の各部材の熱伝導性を良くするとともに、熱電変換モジュールと排気管及び冷却部とを適切な面圧力によって接触させ、熱電変換モジュールとの間における熱伝導性を良くしなければならない。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−３６９８１号公報（図３〜図５等参照）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
排熱発電装置の高温側では最高８００℃程度まで上昇するので、その温度に応じて長手方向、幅方向、厚さ方向の熱膨張が大きくなり、一方、低温側では最大でも１００℃程度までしか上昇しないので、熱膨張が小さい。そのため、熱電変換モジュールの高温側と低温側とでは、ずれが生じ、歪が発生する場合がある。その結果、熱電変換モジュールと排気管や冷却部との間に位置ずれが発生したり、あるいは、熱電素子等が変形したり、変形が激しい場合には破損したりする。さらに、その熱膨張によって熱電変換モジュールと排気管や冷却部との面接触性が悪化するので、熱電変換モジュールとの間の熱伝導性が悪くなり、熱電変換効率が低下する。特に、従来の排熱発電装置は、排気管や冷却部が取り付けられる外管が一枚ものの部材で形成されており、歪を吸収するための自由度が少ないので、歪が装置全体に広がっていた。また、冷却部が剛性の高い水冷システムで構成されている場合、ばね定数が低いので、歪を更に吸収しにくくなる。
【０００５】
そこで、従来の排熱発電装置では、熱歪を抑えるために、排気管、冷却部、冷却部が取り付けられる外管等が熱膨張率の小さいステンレス鋼等の材料によって形成されている。しかし、このようなステンレス鋼等の材料は、熱伝導率が小さいため、熱抵抗が大きい。そのため、熱電変換モジュールに伝達される前に高温側や低温側の各部材において熱エネルギを損失してしまい、熱電変換効率が低下する。
【０００６】
そこで、本発明は、熱電変換効率に優れる排熱発電装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る排熱発電装置は、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換手段と、熱電変換手段の一面側に配置され、排気管を流れる排気ガスの熱エネルギを伝導する熱交換手段と、熱電変換手段の他面側に配置され、熱電変換手段を冷却する冷却手段とを備える排熱発電装置であって、熱電変換手段、熱交換手段及び冷却手段において冷却手段の剛性を最も高くすることを特徴とする。
【０００８】
この排熱発電装置では、排気管を流れる排気ガスの熱エネルギを伝導する熱交換手段と冷却手段との間に熱電変換手段を配置して熱エネルギが移動する系を構成しており、その熱エネルギが移動する系において冷却手段の剛性を最も高くする。このように構成することによって、熱エネルギが移動する系において冷却手段が基準となり、冷却手段から熱電変換手段に適切な面圧力を作用させることができ、冷却手段と熱電変換手段との面当りが均一化し、冷却手段と熱電変換手段との間の面接触性が良くなる。そのため、熱電変換手段との間での熱エネルギの伝達が良くなり、熱電変換効率が向上する。
【０００９】
本発明の上記排熱発電装置では、熱交換手段は、排気ガスの熱エネルギを伝導する熱交換フィンと、一面に熱交換フィンが設けられるとともに他面に熱電変換手段が配置される基台とを有し、排気管は、排気通路の骨格を形成する管本体を有し、管本体に基台が取り付けられて、熱交換フィンが排気管内に位置し、排気管と熱交換手段とにより排気通路系を構成し、排気通路系において基台の剛性を最も高くするように構成してもよい。
【００１０】
この排熱発電装置では、熱交換手段が熱交換フィンと熱電変換手段が配置される基台を有しており、排気管が排気通路の骨格を形成する管本体を有している。そして、排熱発電装置では、管本体に熱交換手段の基台を取り付けて排気通路系を構成しており、排気通路系において熱交換手段の基台の剛性を最も高くする。このように構成することによって、熱交換手段から熱電変換手段に適切な面圧力を作用させることができ、熱交換手段と熱電変換手段との面当りが均一化し、熱交換手段と熱電変換手段との間の面接触性が良くなる。そのため、熱電変換手段との間での熱エネルギの伝達が良くなり、熱電変換効率が向上する。
【００１１】
本発明の上記排熱発電装置では、管本体を熱交換手段より熱膨張率の小さい材料で形成するように構成してもよい。
【００１２】
この排熱発電装置では、熱エネルギが移動する系に含まれない管本体を熱交換手段より熱膨張率の小さい材料（ステンレス鋼等）で形成する。このように構成することによって、管本体は排気ガスの熱の影響によって膨張しにくいので、装置全体としての歪を抑えることができる。また、排熱発電装置では、熱エネルギが移動する系（熱交換手段、冷却手段等）をアルミニウム等の熱膨張率が大きいが、熱伝導率も大きい材料で形成することができ、この系における熱抵抗を小さくでき、熱電変換効率が向上する。
【００１３】
本発明の上記排熱発電装置では、管本体を排熱発電装置の中央部に配置し、管本体に取り付けられた熱交換手段の外周部に熱電変換手段を配置し、熱電変換手段の外周部に冷却手段を配置し、冷却手段の外側に配置される弾性手段を備え、弾性手段により冷却手段を外側から押圧して熱電変換手段を固定する弾性システムを構成してもよい。
【００１４】
この排熱発電装置では、管本体を装置の中央部に配置し、その管本体に取り付けられている熱交換手段と冷却手段との間に熱電変換手段を配置する。そして、排熱発電装置では、弾性手段によって外側から冷却手段に押圧し、熱交換手段と冷却手段との間に熱電変換手段を固定する弾性システムを構成する。この弾性システムでは、弾性手段の作用により、小さいばね定数で熱電変換手段を熱交換手段と冷却手段との間に押えつけるとともに熱交換手段及び冷却手段から適切な面圧力を熱電変換手段に加えることによって熱電変換手段を固定する。そのため、熱電変換モジュールの高温側（熱交換手段）と低温側（冷却手段）との間で歪が発生しても、小さいばね定数によって歪を吸収することができる。
【００１５】
本発明の上記排熱発電装置では、熱電変換手段は、熱電素子からなるモジュールで構成され、弾性システムの１つのユニットをモジュール単位で構成してもよい。
【００１６】
この排熱発電装置では、熱電変換手段が複数の熱電素子からなるモジュールで構成されており、弾性システムの１つのユニットを熱電変換手段のモジュール単位で構成する。したがって、排熱発電装置としては、管本体に長手方向や周方向に沿って配置された複数のユニットの弾性システムで構成されることになる。このように構成することによって、１つのユニットの弾性システムにおいて熱による歪が発生しても、他のユニットから独立しているので、他のユニットに対して歪が広がっていかない。したがって、各ユニットが発生した歪は、累積されない。
【００１７】
本発明の上記排熱発電装置では、弾性手段は、ばねと、押圧部材とを有し、押圧部材がばねに対して点接触又は線接触するように構成してもよい。
【００１８】
この排熱発電装置では、熱により歪等が発生して弾性手段による冷却手段への押圧箇所が位置ずれしても、弾性手段においてばねと押圧部材とが点接触又は線接触しているので、弾性手段から冷却手段に（ひいては、冷却手段から熱電変換手段に）面圧力を均一に与えることができる。そのため、冷却手段と熱電変換手段との面当りが均一化し、冷却手段と熱電変換手段との間の面接触性が良くなる。
【００１９】
本発明の上記排熱発電装置では、熱交換手段及び管本体は、変形可能な形状を有し、熱交換手段の変形方向と管本体の変形方向とが逆方向になるように構成してもよい。
【００２０】
この排熱発電装置では、熱交換部材の変形方向と管本体の変形方向とが逆方向になるように構成することによって、２つの逆方向の変形力が相殺されて、排気通路系における変形を抑制することができる。そのため、熱の影響によって熱交換フィン等が変形（膨張）しても、弾性システム（ひいては、装置全体）としての歪を抑えることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る排熱発電装置の実施の形態を説明する。
【００２２】
本実施の形態では、本発明に係る排熱発電装置を、自動車に搭載され、ガソリンエンジンからの排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する排熱発電装置に適用する。本実施の形態に係る排熱発電装置は、排気管が周方向に４分割構造であり、周方向に４個の排熱発電ユニットが構成され、長手方向にも４個の排熱発電ユニットが構成され、合計１６個の排熱発電ユニットを有している。
【００２３】
図１〜図６を参照して、排熱発電装置１の全体構成について説明する。図１は、排熱発電装置の斜視図である。図２は、図１の排熱発電装置の正面図である。図３は、図１の排熱発電装置の側面図（上流側）である。図４は、図３の側面図におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。図５は、図２の正面図におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図６は、図２の正面図におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【００２４】
排熱発電装置１は、ガソリンエンジン（図示せず）のエキゾーストマニホールドに繋がる排気系の任意の箇所（例えば、エキゾーストマニホールドの直近、排気浄化触媒の上流側、マフラの上流側等）に配設される。排熱発電装置１は、排気管の周方向に沿って４分割構造とし、１６個の排熱発電ユニット２，・・・を有している。排熱発電装置１には、周方向に沿って４個の排熱発電ユニット２，２，２，２が配置され（図３参照）、長手方向に沿って４個の排熱発電ユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄが配置される（図２参照）。排熱発電装置１では、各排熱発電ユニット２，・・・で排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換し、その電気エネルギをＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）等を介してバッテリ（図示せず）に充電する。
【００２５】
排熱発電装置１には、最上流部に上流側の排気管（図示せず）と接続する排気導入管３が配設され、最下流部に下流側の排気管（図示せず）と接続する排気排出管４が配設される。排気導入管３と排気排出管４との間には、４個の分割排気管本体５，５，５，５が溶接等によって接続される。分割排気管本体５，５，５，５は、排熱発電装置１の中央部に９０°毎に配置され（図５等参照）、４つの分割排気通路ＣＷ，ＣＷ，ＣＷ，ＣＷの骨格を形成している。なお、本実施の形態では、分割排気管本体５，５，５，５が特許請求の範囲に記載する管本体に相当する。
【００２６】
図７も参照して、分割排気管本体５について説明する。図７は、分割排気管本体であり、（ａ）が側面図であり、（ｂ）が長手方向の一部を示す平面図である。
【００２７】
分割排気管本体５は、主要部が薄板状であり、ステンレス鋼で形成される。分割排気管本体５は、図７（ａ）に示すように、側面視して等脚台形状である。この等脚台形状では、平行な長辺部５ａと短辺部５ｂを結ぶ２つの側辺部５ｃ，５ｃと長辺部５ａとのなす角が４５°である。また、分割排気管本体５は、等脚台形状の長辺部５ａをなす外板５ｄには、長手方向に沿って４つの開口部５ｅ，・・・が形成されている（図７（ａ）には２つの開口部５ｅ，５ｅのみ示している）。開口部５ｅは、略正方形であり、熱交換部材１２の熱交換フィン１２ｂが挿入される（図１０参照）。また、外板５ｄには、開口部５ｅの外周に沿って熱交換部材１２をボルトで締結して取り付けるためのボルト孔５ｆ，・・・が形成されており、他の箇所より肉厚に形成されている。ボルト孔５ｆには、メスねじが切られている。
【００２８】
各分割排気管本体５の側板５ｇ，５ｇは、９０°をなす位置に配置された両側の分割排気管本体５，５の各側板５ｇに溶接によって各々接着されている。そして、４個の分割排気管本体５，５，５，５は、周方向に沿って連結され、側面視して略正方形になる（図５等参照）。また、各分割排気管本体５には４個の熱交換部材１２，１２，１２，１２が取り付けられ、４つの開口部５ｅ，５ｅ，５ｅ，５ｅが閉じることによって分割排気通路ＣＷが形成される。さらに、連結された４個の分割排気管本体５，５，５，５の内板５ｉ，５ｉ，５ｉ，５ｉの両端には、その上流側に分流部材６が溶接によって接続され、その下流側に合流部材７が溶接によって接続される（図４参照）。分流部材６は、上流側になるほど細くなる四角錘状の管形状となっており、排気導入管３からの排気ガスを４つの分割排気通路ＣＷ，ＣＷ，ＣＷ，ＣＷに分流させる。また、合流部材７は、下流側になるほど細くなる四角錘状の管形状となっており、４つの分割排気通路ＣＷ，Ｃｗ，ＣＷ，ＣＷを流れる排気ガスを合流させる。
【００２９】
分割排気管本体５は、アルミニウム等に比べて熱膨張率が小さいステンレス鋼で形成されているので、排熱発電装置１の他の部材に比べて熱に対する膨張量が少ない。また、分割排気管本体５は、薄板状に形成されているので、排熱発電装置１の他の部材（特に、熱交換部材１２）に比べて剛性が小さいとともに、等脚台形状である。そのため、分割排気管本体５の変形方向は、図７（ａ）の矢印で示すように、側板５ｇ，５ｇが短壁５ｉ側に広がるような方向となる。また、分割排気管本体５は、冷却部８に比べて剛性が小さいので、冷却部８の熱伝達面の形状に追従して変形することができる。
【００３０】
排熱発電ユニット２は、熱電変換モジュール１３単位に構成され、熱電変換モジュール１３の大きさを基準としてユニットを構成する各部が構成されている。排熱発電ユニット２では、熱電変換モジュール１３に対して低温側及び高温側から適切な圧力（例えば、１４ｋｇ／ｃｍ2）を加えるとともにユニット全体をばね系により柔軟に押えつけ、熱電変換モジュール１３の熱電変換効率を上げている。そして、排熱発電ユニット２は、各分割排気管本体５，５，５，５の開口部５ｅ，５ｅ，５ｅ，５ｅに配置される。このように、排熱発電装置１では、上流側から下流側に４つの排熱発電ユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄが配置されるが、上流でも下流でも一様の熱電変換効率が得られるように構成されている。そのために、排熱発電ユニット２は、冷却部８、熱交換部材１２（１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ）、熱電変換モジュール１３、ばねクランプ部１４を備えており、熱エネルギが移動する系並びにばねクランプシステムを構成している。なお、本実施の形態では、排熱発電ユニット２が特許請求の範囲に記載の弾性システムに相当し、冷却部８が特許請求の範囲に記載の冷却手段に相当し、熱交換部材１２が特許請求の範囲に記載の熱交換手段に相当し、熱電変換モジュール１３が特許請求の範囲に記載の熱電変換手段に相当し、ばねクランプ部１４が特許請求の範囲に記載の弾性手段に相当し、分割排気管本体５と熱交換部材１２とにより特許請求の範囲に記載する排気通路系を構成している。
【００３１】
図８及び図９も参照して、冷却部８を説明する。図８は、冷却部の冷却蓋であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）の平面図におけるＤ−Ｄ線に沿った断面図である。図９は、冷却部の冷却本体であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）の平面図におけるＥ−Ｅ線に沿った断面図であり、（ｃ）が（ａ）の平面図におけるＦ−Ｆ線に沿った断面図である。
【００３２】
冷却部８は、熱電変換モジュール１３の低温端面に対して適切な圧力を加えて固定し、水冷式によりその低温端面を冷却する。また、冷却部８は、排熱発電ユニット２（特に、熱エネルギが移動する系）のなかで最も剛性が高く、排熱発電ユニット２（特に、ばねクランプシステム）における熱電変換モジュール１３を固定するための基準となっている。そのために、冷却部８は、冷却蓋９、冷却本体１０及び冷却水管１１，１１を備えている。
【００３３】
冷却蓋９は、冷却本体１０の蓋であり、アルミニウムで形成される。冷却蓋９は、幅方向が冷却本体１０と同寸法であり、長手方向が冷却本体１０より若干長い寸法の肉厚の板部９ａを有している。板部９ａの中央部には、押圧部材１７を載置するために、押圧部材１７が嵌る円形で有底の穴９ｂが形成されている。また、板部９ａの穴９ｂの両側には、複数枚の板ばね１６，・・・を両側から囲んで支持するとともに冷却水管１１，１１を設置するために、支持部９ｃ，９ｃが設けられている。支持部９ｃ，９ｃは、板ばね１６の長手方向の長さより若干長い間隔となる位置に設けられ、その上面が複数枚の板ばね１６，・・・の上面より若干低くなる高さを有する。支持部９ｃ，９ｃの穴９ｂ側の形状は、板ばね１６の両端形状に沿った形状である。支持部９ｃ，９ｃの外端側には、冷却水管１１，１１を設置するために、冷却水管１１，１１が嵌る取付孔９ｄ，９ｄが形成されている。さらに、支持部９ｃ，９ｃには、取付孔９ｄ，９ｄの下部の側部に繋がる冷却水孔９ｅ，９ｅが形成されている。冷却水孔９ｅ，９ｅは、冷却蓋９の底面まで貫通し、冷却本体１０の冷却部１０ａに繋がる。また、板部９ａの四隅には、冷却本体１０に取り付けられた際にボルトで締結するために、孔９ｆ，９ｆ，９ｆ，９ｆが形成されている。
【００３４】
冷却本体１０は、冷却部９を蓋とする箱であり、アルミニウムで形成される。冷却本体１０は、幅方向、長手方向共に熱電変換モジュール１３より若干長い寸法を有する肉厚の箱形状であり、その箱の凹部が冷却水が流れる冷却部１０ａとなる。冷却部１０ａには、冷却水を冷やすために、冷却フィン部１０ｂが設けられている。冷却フィン部１０ｂの各フィンは、全て同じ高さを有し、冷却本体１０に冷却蓋９が取り付けられた場合に冷却蓋９の底面に接する程度の高さである。冷却本体１０の底面は、熱電変換モジュール１３の低温端面と密着するために、水平面となっている。また、冷却本体１０の四隅には、冷却蓋９を取り付ける際にボルトで締結するために、有底のボルト穴１０ｃ，１０ｃ，１０ｃ，１０ｃが形成されている。ボルト穴１０ｃには、雌ねじが切られている。
【００３５】
冷却部８は、冷却蓋９が冷却本体１０に載せられて４本のボルト（図示せず）で締結され、さらに、冷却蓋９に２本の冷却水管１１，１１が溶接等によって取り付けられて構成される。このように、冷却部８は、熱電変換モジュール１３の大きさを基本として形成されているので面積が小さく、肉厚の箱形状なので、排熱発電ユニット２において最も剛性が高く、熱電変換モジュール１３を固定するための基準となる。そのため、冷却部８は、熱電変換モジュール１３の低温端面との面当りが均一となり、その低温端面との熱的な接触性が非常に良い。したがって、冷却部８と熱電変換モジュール１３との間では、熱伝達性が非常に良い。
【００３６】
排熱発電装置１では、長手方向に４つの冷却部８，８，８，８が並んでおり（図４参照）、最上流の冷却部８の上流側の冷却水管１１と最下流の冷却部８の下流側の冷却水管１１とがラジエータ（図示せず）にラジエータホース（図示せず）を介して繋がるとともに、その他の冷却水管１１，・・・が隣接する冷却部８，８間で繋がる。そして、各冷却部８では、ラジエータで冷やされた冷却水が冷却水管１１、冷却水孔９ｅを通って冷却部１０ａに導入され、冷却フィン部１０ｂの各フィンの間を冷却水が流れることによって冷却水を冷やして低温性を保っている。また、冷却部８は、ステンレス鋼等に比べて非常に熱伝導率が小さいアルミニウムで形成されているので、熱抵抗が小さい。そのため、冷却部８は、低温性をそれほど落とすことなく、熱電変換モジュール１３に伝えることができる。
【００３７】
図１０も参照して、熱交換部材１２について説明する。図１０は、熱交換部材であり、（ａ）が正面図であり、（ｂ）が側面図であり、（ｃ）が底面図である。
【００３８】
熱交換部材１２は、主に、基台１２ａ及び熱交換フィン部１２ｂからなり、アルミニウムで形成される。基台１２ａは、肉厚の板状である。基台１２ａの中央部には、熱電変換モジュール１３を載置するために、外周部より若干肉厚の載置部１２ｃが形成されている。載置部１２ｃは、幅方向、長手方向共に熱電変換モジュール１３より若干長い寸法を有する。載置部１２ｃの載置面は、熱電変換モジュール１３の高温端面と密着するために、水平面となっている。基台１２ａの外周部は、熱交換部材１２を分割排気管本体５に取り付けた際にその外板５ｄに係止するフランジ部１２ｄとなっている。フランジ部１２ｄには、分割排気管本体５に取り付けられた際にボルトで締結するために、孔１２ｅ，・・・が形成されている。基台１２ａの熱交換フィン部１２ｂ側の面には、フィン台１２ｆが形成されている。フィン台１２ｆは、分割排気管本体５の開口部５ｅに嵌合する大きさを有している。熱交換フィン部１２ｂは、フィン台１２ｆに設けられ、熱交換部材１２が分割排気管本体５に取り付けられた場合に各フィンの高さが側板５ｇ，５ｇ及び内板５ｉに接しない程度に沿うような高さである。したがって、図１０（ａ）に示すように、熱交換フィン部１２ｂの全てのフィンによって、略等脚台形状が形成される。排熱発電装置１では長手方向に４つの熱交換部材１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄが並んでおり（図４参照）、熱交換部材１２の熱交換フィン部１２ｂのフィン間のピッチは下流ほど狭く形成されている（図５及び図６参照）。つまり、下流に位置する熱交換部材１２ほど、熱交換フィン部１２ｂのフィンの本数が多くなる。
【００３９】
熱交換部材１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄが分割排気管本体５の開口部５ｅ，５ｅ，５ｅ，５ｅに各々嵌め込まれボルト２０，・・・によって締結され、分割排気通路ＣＷを形成する（図４〜図６参照）。熱交換部材１２の基台１２ａは、熱電変換モジュール１３の大きさを基本として形成されているので面積が小さく、肉厚の板状なので、分割排気通路ＣＷを構成する分割排気管本体５及び熱交換部材１２において最も剛性が高い。そのため、熱電変換モジュール１３の高温端面との面当りが均一となり、その高温端面との熱的な接触性が非常に良い。したがって、熱伝導部材１２と熱電変換モジュール１３との間では、熱伝達性が非常に良い。
【００４０】
熱交換部材１２では、排熱発電装置１における長手方向の位置に応じて熱交換フィン部１２ｂのフィン間のピッチを変え、熱交換フィン部１２ｂの表面積を変えている。というのは、下流ほど、排気ガスの温度が低下する（熱エネルギが少なくなる）。一方、熱交換部材１２では、下流ほどピッチを狭くして熱交換フィン部１２ｂの表面積を大きくすることによって、排気ガスとの接触面積を大きくし、排気ガスの熱エネルギの吸収量を多くしている。このように構成することによって、排熱発電装置１の長手方向に配置される熱交換部材１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄでの熱エネルギの吸収量が同じになるようにし、熱交換部材１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄと熱電変換モジュール１３，１３，１３，１３との接触面における温度が一様な温度（例えば、４００℃）になるようにしている。
【００４１】
また、熱交換部材１２は、基台１２ａが肉厚で剛性が高く、かつ、熱交換フィン１２ｂの各フィンの高さが略等脚台形になるように形成されている。そのため、熱交換部材１２の変形方向は、図１０（ａ）の矢印で示すように、熱交換フィン１２ｂの各フィンが基台１２ａ側に広がるような方向となる。
【００４２】
熱電変換モジュール１３について説明する。熱電変換モジュール１３は、複数の熱電素子（例えば、Ｂｉ2Ｔｅ3等からなるｐ型とｎ型の２種類の半導体）（図示せず）を備えており、これらの熱電素子を電気的には直列にかつ熱的には並列に配置している。また、熱電変換モジュール１３は、小面積の略正方形状であり、平行かつ水平な高温端面と低温端面を有している。熱電変換モジュール１３では、両端面間の温度差に応じてゼーベック効果により熱エネルギを電気エネルギに変換し、その電気エネルギを２つの電極（図示せず）から出力する。
【００４３】
図１１〜図１３も参照して、ばねクランプ部１４について説明する。図１１は、クランプであり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が正面図である。図１２は、板ばねの平面図である。図１３は、押圧部材であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）の平面図におけるＧ−Ｇ線に沿った断面図である。
【００４４】
ばねクランプ部１４は、冷却部８の外側から所定の圧力を印加し、熱電変換モジュール１３を冷却部８と熱交換部材１２との間に固定する。この際、ばねクランプ部１４では、数枚の板ばねによる弾性力によって、排熱発電ユニット２全体をしなやかに押えつけている。また、排熱発電装置１では、周方向に沿って４つのばねクランプ１４、１４，１４，１４が締結され、この４つのばねクランプ１４、１４，１４，１４によって装置全体を締め付けている。そのために、ばねクランプ部１４は、クランプ１５、数枚の板ばね１６，・・・及び押圧部材１７を備えている。なお、所定の圧力は、熱電変換モジュール１３と冷却部８及び熱交換部材１２との面圧力が適切な圧力になる程度の圧力である。
【００４５】
クランプ１５は、収納部１５ａ、接続部１５ｂ，１５ｂ、締結部１５ｃ，１５ｃ及び側板部１５ｄ，１５ｄを有し、鉄で形成される。収納部１５ａ、接続部１５ｂ，１５ｂ及び締結部１５ｃ，１５ｃは一枚の板で形成され、その一枚の板の両側に板状の側板部１５ｄ，１５ｄが立設している。収納部１５ａは、正面視して凹状でかつ平面視して略楕円形状である。収納部１５ａの中央部には、板ばね１６と同形状で大きさが若干小さい開口孔１５ｅが形成されており、この開口孔１５ｅの外周部で板ばね１６を押えつけている。収納部１５ａの両側には、冷却部８の冷却水管１１，１１が嵌め込まれる開口孔１５ｆ，１５ｆが形成されている。接続部１５ｂは、収納部１５ａと両端の締結部１５ｃ，１５ｃとを連結する。締結部１５ｃは、接続部１５ｂに対して略垂直に折れ曲がっており、隣接するクランプ１５の締結部１５ｃと底面同士が接する形状となっている。締結部１５ｃには、ボルトが貫通する３つのボルト孔１５ｇ，１５ｇ，１５ｇが形成されている。ちなみに、４個のクランプ１５、１５，１５，１５が締結されると、その４個のクランプ１５、１５，１５，１５が断面視して略円形状となり、排熱発電装置１の最外部を被う（図５及び図６参照）。
【００４６】
板ばね１６は、平面視して略楕円形状であり（図１２参照）、鉄で形成される。板ばね１６は、小さいばね定数を有する。ちなみに、ばねクランプ部１４では、板ばね１６を数枚重ねて弾性力を発生させている。
【００４７】
押圧部材１７は、板ばね１６と点接触するために半球状であり、鉄で形成される。押圧部材１７の円形状の底面は、冷却部８の穴９ｂに嵌合する大きさを有する（図８参照）。また、押圧部材１７の底面側には、その中央部には有底の穴１７ａが形成されている。
【００４８】
ばねクランプ部１４では、冷却部８の冷却蓋９の穴９ｂに押圧部材１７が嵌め込まれ、その押圧部材１７の上に数枚の板ばね１６，・・・が載置され、板ばね１６，・・・及び冷却部８の一部を収納部１５ａで被うようにクランプ１５が板ばね１６の上に載置される。この際、板ばね１６・・・は、冷却蓋９の支持部９ｃ，９ｃで両側から支えられており、その最上面が支持部９ｃ，９ｃよりも高くなっている。さらに、ばねクランプ部１４では、クランプ１５の締結部１５ｃ，１５ｃが両側のクランプ１５，１５の各締結部１５ｃ，１５ｃに合わせられ、隣接するクランプ１５，１５の締結部１５ｃ，１５ｃがボルト２１，・・・及びナット２２，・・・によって締結される（図５及び図６参照）。そして、周方向に沿って締結されている４つのばねクランプ１４、１４，１４，１４によって、装置全体をベルトのように締め付けている。
【００４９】
ばねクランプ部１４では、板ばね１６，・・・及び押圧部材１７を介するクランプ１５による押えつけによって、冷却部８（ひいては、熱電変換モジュール１３や熱交換部材１２）に押圧部材１７から所定の圧力を加える。この所定の圧力は、ボルト２１，・・・及びナット２２，・・・の締め付け力によって調整することができる。ちなみに、板ばね１６やクランプ１５の位置がずれて、押えつけに偏りが発生しても、板ばね１６と押圧部材１７とは点接触しているので、押圧部材１７から冷却部８に均一な圧力を加えることができる。そのため、冷却部８には、均一な面圧力が発生する。また、小さいばね定数の板ばね１６を数枚重ねて弾性力を発生させているので、熱電変換モジュール１３を柔軟に押えつけることができる。
【００５０】
このように、排熱発電ユニット２では、排熱発電装置１の中央側から熱交換部材１２、熱電変換モジュール１３、冷却部８、ばねクランプ部１４が配置され、冷却部８を固定の基準としてばねクランプ１４の押えつけによって熱電変換モジュール１３を適切な面圧力により柔軟性豊かに固定する。そして、排気発電装置１では、４つの分割排気管本体５，５，５，５に、周方向に４つづつかつ長手方向に４つづつの排熱発電ユニット２，・・・を配置し、排熱発電ユニット２，・・・を各々独立させている。
【００５１】
図１〜図６を参照して、排熱発電装置１の動作について説明する。
【００５２】
排熱発電装置１には、排気導入管３から排気ガスが導入され、最上流の冷却水管１１，…から冷却水が流通される。導入した排気ガスは、分流部材６によって４つの分割排気通路ＣＷ，・・・に分流される。
【００５３】
各分割排気通路ＣＷでは、排気ガスが、長手方向に配置された４個の熱交換部材１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄの各熱交換フィン部１２ｂのフィンの間を通り抜け（図１０参照）、下流に流れていく。熱交換フィン部１２ｂでは、排気ガスから熱エネルギを吸収する。この際、下流ほど、排気ガスの熱エネルギが奪われて排気温度が低下するが、熱交換フィン部１２ではフィンピッチを狭めて排気ガスの熱エネルギの吸収効率良くしている。そして、熱交換部材１２では、その吸収した熱エネルギを載置部１２ｃまで伝導する（図１０参照）。熱交換部材１２は、熱抵抗の少ないアルミニウムで形成されているので、載置部１２ｃに伝導するまで高温性をあまり損なわない。そして、熱交換部材１２では、熱エネルギを熱電変換モジュール１３の高温端面に伝達する。この際、熱電変換モジュール１３の高温端面から載置部１２ｃの載置面には適度な面圧力が加えられている。さらに、載置部１２ｃの載置面は、その平面性が確保されており、熱電変換モジュール１３の高温端面と均一に接触している。また、上流下流に関係なく、熱交換部材１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄから同程度の熱エネルギが伝達され、熱電変変換モジュール１３の高温端面の温度は同程度の温度となっている。そして、４つの分割排気通路ＣＷ，ＣＷ，ＣＷ，ＣＷを流れた排気ガスは、合流部材７で合流し、排気発電装置１から下流の排気管に排出される。この際、排気ガスは、熱エネルギが奪われ、温度が低下している。
【００５４】
一方、冷却水は、長手方向に配置された４個の冷却部８，８，８，８の各冷却部１０ａ内の冷却フィン部１０ｂのフィンの間を通り抜け（図９参照）、下流に流れていく。冷却フィン部１０ｂでは、冷却水を更に冷却する。そして、冷却部８では、その冷却水による低温性を冷却本体１０の底面まで伝導する。冷却部８は、熱抵抗の少ないアルミニウムで形成されているので、底面に伝導するまで低温性をあまり損なわない。そして、冷却部８では、その低温を熱電変換モジュール１３の低温端面に伝達する。この際、冷却本体１０の底面から熱電変換モジュール１３の低温端面には適度な面圧力が加えられている。さらに、冷却本体１０の底面は、その平面性が確保されており、熱電変換モジュール１３の低温端面と均一に接触している。そして、最下流の冷却部８から出た冷却水は、排気発電装置１から排出される。
【００５５】
各熱電変換モジュール１３では、高温端面に伝達された高温と低温端面に伝達された低温との温度差に応じて発電し、その電気エネルギをバッテリに充電する。この際、高温性と低温性が十分に保たれているので、温度差が大きく、発電力も大きい。つまり、熱電効変換率が高い。また、上流下流に関係なく、高温側の温度が同じ程度になるように調整されているので、下流側でも熱電変換効率が落ちない。
【００５６】
ちなみに、任意の排熱発電ユニット２において熱の影響によって歪が発生しても、各排熱発電ユニット２が独立して配置されているので、排熱発電装置１全体に影響を及ぼさない。つまり、各排熱発電ユニット２で発生した歪が、累積されない。さらに、排熱発電装置１の骨格を形成する４個の分割排気管本体５，５，５，５は熱膨張率の小さいステンレス鋼で形成されているので、装置全体における熱による膨張が小さく、変形も少ない。特に、排熱発電装置１では、分割排気管本体５の変形方向と各熱交換部材１２の変形方向とが逆方向になるように構成しているので、高温の排気ガスで分割排気管本体５及び熱交換部材１２が変形したとしても、互いの変形方向によってその変形を相殺し、排熱発電ユニット２としての変形を抑えることができる。
【００５７】
また、各排熱発電ユニット２で熱によって歪が発生しても、数枚の板ばね１６，・・・の弾性力によって柔軟に押えつけているので、その歪を吸収することができる。さらに、部材間で位置ずれが発生しても、押圧部材１７で点接触によって圧力を加えるようにしているので、冷却部８、熱電変換モジュール１３及び熱交換部材１２には各接触面で一様な面圧力が加えられている。
【００５８】
この排熱発電装置１によれば、冷却部８の剛性を最も大きくして排熱発電ユニット２の基準とすることによって、熱電変換モジュール１３に対して適切な面圧力を加えることができ、冷却部８と熱電変換モジュール１３の低温端面との面接触性が良く、熱電変換モジュール１３の低温端面の低温化を図ることができる。また、排熱発電装置１によれば、熱交換部材１２の基台１２ａの剛性を高温側では最も大きくすることによって、熱電変換モジュール１３に対して適切な面圧力を加えることができ、基台１２ａと熱電変換モジュール１３の高温端面との面接触性が良く、熱電変換モジュール１３の高温端面の高温化を図ることができる。さらに、排熱発電装置１によれば、排熱発電ユニット２の熱エネルギが移動する系を熱伝導率の大きいアルミニウムで構成することによって、各部材における熱抵抗が小さくなり、熱電変換モジュール１３の高温側での高温化及び低温側での低温化を図ることができる。そのため、排熱発電装置１では、各排熱発電ユニット２において熱電変換効率が非常に高い。
【００５９】
また、排熱発電装置１によれば、複数の板ばね１６，・・・によって外側から熱電変換モジュール１３を柔軟性豊かに固定するので、熱の影響によって歪が発生してもその歪による変形を抑えることができ（ひいては、熱電素子等の破損をなくすことができ）、適切な面圧力を発生させることができる。さらに、排熱発電装置１によれば、周方向に４つのばねクランプ部１４，・・・を配して装置全体をベルトのように締めるので、装置全体をしっかりと固定できるとともに柔軟性もある。また、排熱発電装置１によれば、各ばねクランプ部１４において押圧部材１７で点接触によって圧力を加えることができるので、常時、均一な面圧力を加えることができる。
【００６０】
また、排熱発電装置１によれば、熱膨張率の小さいステンレス鋼によって装置全体の骨格となる分割排気管本体５を構成しているので、装置全体としての熱変形を抑えることができる。さらに、排熱発電装置１によれば、熱電変換モジュール１３の大きさを基準として小面積単位で排熱発電ユニット２を構成し、排熱発電ユニット２を分割排気管本体５に組み付けているので、各排熱発電ユニット２において熱による歪を抑えることができ、その歪の影響を他の排熱発電ユニット２に広げない。また、排熱発電装置１によれば、分割排気管本体５の変形方向と熱交換部材１２の変形方向とが逆方向になるように構成しているので、分割排気管本体５及び熱交換部材１２が熱によって変形してもその変形を互いに相殺し、排熱発電ユニット２としての変形を抑えることができる。
【００６１】
図１４を参照して、排熱発電装置２１を排気系に配設した一例を説明する。図１４は、排熱発電装置をエキゾーストマニホールドの直近に配設した場合の斜視図である。
【００６２】
排熱発電装置２１は、エキゾーストマニホールドＥＭの排出口に直接接続しており、エキゾーストマニホールドＥＭの直下に配設される。排熱発電装置２１は、排気管が６分割構造であり、周方向に沿って６個の排熱発電ユニット２２，・・・が構成されるとともに長手方向に沿って２個の排熱発電ユニット２２，２２が構成され、合計１２個の排熱発電ユニット２２，・・・を有している。エキゾーストマニホールドＥＭの直下に配置した場合、排熱発電装置２１には、排気系において最も高温の排気ガスが流れる。そのため、各排熱発電ユニット２２における熱電変換モジュール（図示せず）の高温側が高温となり、熱電変換効率が向上する。
【００６３】
ちなみに、従来の排熱発電装置をエキゾーストマニホールドの直下に配設した場合、高温の排気ガスにより歪が大きくなるので、その歪によって熱電素子等を変形や破損する恐れがあった。そのため、従来の排熱発電装置は、エキゾーストマニホールドの直下に配設することができなかった。しかし、排熱発電装置２１は、その熱歪を極力抑えることができる構成となっているので、エキゾーストマニホールドＥＭの直下でも配設することができ、高温の排気ガスから熱エネルギを高効率で回収することできる。
【００６４】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００６５】
例えば、本実施の形態では排熱発電装置を自動車に適用したが、排気ガスを排出する内燃機関を備える他のものに適用してもよい。
【００６６】
また、本実施の形態では排熱発電ユニットを１６個又は１２個有する排熱発電装置を構成したが、配置するスペースや形状等を考慮して、周方向や長手方向に適宜の個数の排熱発電ユニットを配置し、適宜の個数の排熱発電ユニットを有する排熱発電装置を構成してもよい。
【００６７】
また、本実施の形態では下流ほど熱交換フィンのピッチが狭い熱交換部材を配置させることによって上流側から下流側までの温度が一様になるように構成したが、下流ほど熱伝導率が大きい材料によって形成した熱交換部材を配置することによって上流側から下流側までの温度が一様になるように構成してもよいし、あるいは、ピッチが異なる熱交換フィンと熱伝導率の異なる材料とを組み合わせて上流側から下流側までの温度が一様になるように構成してもよい。
【００６８】
また、本実施の形態では熱エネルギが移動する系の各部材をアルミニウムで構成し、分割排気管本体をステンレス鋼で構成したが、熱エネルギが移動する系の各部材については熱伝導率の大きい他の材料で構成し、あるいは、分割排気管本体を熱膨張率の小さい他の材料で構成してもよい。
【００６９】
また、本実施の形態では熱電変換モジュールの高温端面側に熱交換部材を配置し、低温端面側に冷却部を配置する構成としたが、その間に絶縁板等の部材を配してもよい。
【００７０】
また、本実施の形態では冷却部を水冷式で構成したが、空冷式で構成してもよい。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、熱による歪の影響を抑え、熱電変換効率に優れる排熱発電装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る排熱発電装置の斜視図である。
【図２】図１の排熱発電装置の正面図である。
【図３】図１の排熱発電装置の側面図（上流側）である。
【図４】図３の側面図におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図５】図２の正面図におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図６】図２の正面図におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【図７】図５等に示す分割排気管本体であり、（ａ）が側面図であり、（ｂ）が長手方向の一部を示す平面図である。
【図８】図５等に示す冷却部の冷却蓋であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）の平面図におけるＤ−Ｄ線に沿った断面図である。
【図９】図５等に示す冷却部の冷却本体であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）の平面図におけるＥ−Ｅ線に沿った断面図であり、（ｃ）が（ａ）の平面図におけるＦ−Ｆ線に沿った断面図である。
【図１０】図５等に示す熱交換部材であり、（ａ）が正面図であり、（ｂ）が側面図であり、（ｃ）が底面図である。
【図１１】図５等に示すクランプであり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が正面図である。
【図１２】図５等に示す板ばねの平面図である。
【図１３】図５等に示す押圧部材であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）の平面図におけるＧ−Ｇ線に沿った断面図である。
【図１４】本実施の形態に係る排熱発電装置をエキゾーストマニホールドの直近に配設した場合の斜視図である。
【符号の説明】
１，２１…排熱発電装置、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２２…排熱発電ユニット、３…排気導入管、４…排気排出管、５…分割排気管本体、５ａ…長辺部、５ｂ…短辺部、５ｃ…側辺部、５ｄ…外板、５ｅ…開口部、５ｆ…ボルト孔、５ｇ…側板、５ｉ…内板、６…分流部材、７…合流部材、８…冷却部、９…冷却蓋、９ａ…板部、９ｂ…穴、９ｃ…支持部、９ｄ…取付孔、９ｅ…冷却水孔、９ｆ…ボルト孔、１０…冷却本体、１０ａ…冷却部、１０ｂ…冷却フィン部、１０ｃ…ボルト穴、１１…冷却水管、１２、１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ…熱交換部材、１２ａ…基台、１２ｂ…熱交換フィン部、１２ｃ…載置部、１２ｄ…フランジ部、１２ｅ…ボルト孔、１２ｆ…フィン台、１３…熱電変換モジュール、１４…ばねクランプ部、１５…クランプ、１５ａ…収納部、１５ｂ…接続部、１５ｃ…締結部、１５ｄ…側板部、１５ｅ…開口孔、１５ｆ…開口孔、１５ｇ…ボルト孔、１６…板ばね、１７…押圧部材、１７ａ…穴
【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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【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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