(57)【要約】【課題】  熱電発電素子の損傷を抑制することのできる内燃機関の熱電発電装置を提供する。【解決手段】  内燃機関の熱電発電装置は、排気通路に排出される排気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電素子４１と、排気通路の一部を構成する外筒３２と、この外筒３２の外周面に設けられ、熱電発電素子４１の一方の面が接触する台座３５と、熱電発電素子４１の他方の面に接触する冷却部４６とを備える。熱電発電素子４１は台座３５及び冷却部４６の双方に対して摺動可能に設けられる。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に排出される排気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電素子と、前記排気通路の一部を構成するとともに前記熱電発電素子の一方の面が接触する高温部材と、該熱電発電素子の他方の面が接触する低温部材とを備える内燃機関の熱電発電装置において、
前記熱電発電素子を前記高温部材及び前記低温部材の双方に対して摺動可能に設けた
ことを特徴とする内燃機関の熱電発電装置。
【請求項２】
前記熱電発電素子は前記高温部材及び前記低温部材によって押圧されることによりその配設位置が保持される
請求項１に記載の内燃機関の熱電発電装置。
【請求項３】
前記熱電発電素子は前記高温部材と前記低温部材との間で圧入状態とされる
請求項２に記載の内燃機関の熱電発電装置。
【請求項４】
前記高温部材の外周面には同高温部材の一部を構成するとともに前記一方の面が接触する台座が設けられる
請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の熱電発電装置。
【請求項５】
前記台座にあって前記一方の面が接触する面は該一方の面に沿った形状に形成される
請求項４に記載の内燃機関の熱電発電装置。
【請求項６】
前記台座は多角柱形状に形成される
請求項５に記載の内燃機関の熱電発電装置。
【請求項７】
前記高温部材はオーステナイト系ステンレス鋼にて形成される
請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の熱電発電装置。
【請求項８】
前記高温部材の内部には排気浄化触媒が設けられる
請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の熱電発電装置。
【請求項９】
前記排気浄化触媒の担体は押し出し成形された金属製の担体である
請求項８に記載の内燃機関の熱電発電装置。
【請求項１０】
前記低温部材はその内部に冷却媒体が流通する冷却機構であり、該冷却機構内における冷却媒体の流通方向は同冷却機構の上方から下方に向けた方向に設定される
請求項１〜９のいずれかに記載の内燃機関の熱電発電装置。
【請求項１１】
前記冷却媒体の流通方向は、前記冷却機構の上方から下方に向けた方向に加え、さらに排気の流れ方向に対して順方向にも設定される
請求項１０に記載の内燃機関の熱電発電装置。
【請求項１２】
前記一方の面及び他方の面のうち少なくともいずれかは非晶質炭素膜で被覆される
請求項１〜１１のいずれかに記載の内燃機関の熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電素子を備える内燃機関の熱電発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電素子を用いた発電技術が知られている。この熱電発電素子は、金属あるいは半導体の両端に温度差を設けるとその高温部と低温部との間に電位差が発生するというゼーベック効果を利用しており、同温度差が大きくなるほど発電量も大きくなる。
【０００３】
図９に熱電発電素子の構造についてその一例を示す。同図９に示すように、熱電発電素子は略平板状の形状をなしており、主にｎ型及びｐ型半導体から構成されている。そして高温側がｎ型半導体ではプラス極に、ｐ型半導体ではマイナス極になる。そしてこれら各半導体は電極にて複数交互に直列接続されてモジュール化されることにより、大きな電力が得られるようになっている。
【０００４】
このような熱電発電素子の利用形態として、例えば特許文献１に記載されるものがある。この特許文献１に記載のものでは、内燃機関の排気通路の途中に筒体を設け、この筒体の外周面に熱電発電素子の一方の面を接触させるとともに、同熱電発電素子の他方の面を冷却機構に接触させることにより、排気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換するようにしている。
【特許文献１】特開２００２−３２５４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１に記載のものでは、筒体と熱電発電素子との接触面、及び熱電発電素子と冷却機構との接触面のうち少なくとも一方の接触面を接合剤で固着させるようにしている。そのため、次のような不具合が生じるおそれがある。
【０００６】
すなわち、熱電発電素子が固定される固定部材の熱膨張係数と熱電発電素子の熱膨張係数とがそれぞれ異なる場合には、温度変化による変形量が互いに異なるようになる。そのため熱電発電素子には熱応力が作用してしまい、同素子の損傷を招くおそれがある。
【０００７】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、熱電発電素子の損傷を抑制することのできる内燃機関の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】
【０００８】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路に排出される排気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電素子と、前記排気通路の一部を構成するとともに前記熱電発電素子の一方の面が接触する高温部材と、該熱電発電素子の他方の面が接触する低温部材とを備える内燃機関の熱電発電装置において、前記熱電発電素子を前記高温部材及び前記低温部材の双方に対して摺動可能に設けたことをその要旨とする。
【０００９】
同構成によれば、熱電発電素子と高温部材とが摺動可能に設けられる。そのため、熱電発電素子と高温部材との熱膨張係数の違いに起因してそれらの変形量が異なる場合には、互いの部材が相対移動するようになり、熱電発電素子に作用する応力は低減される。従って、熱電発電素子と高温部材との熱膨張係数の違いに起因して発生する熱応力が熱電発電素子に作用することを好適に抑制することができる。同様に、熱電発電素子と低温部材も摺動可能に設けられるため、熱電発電素子と低温部材との熱膨張係数の違いに起因して発生する熱応力が熱電発電素子に作用することを好適に抑制することができる。このように上記構成によれば、熱電発電素子の損傷を抑制することができるようになる。
【００１０】
また、熱電発電素子は高温部材及び低温部材の双方に対して摺動可能に設けられており、高温部材及び低温部材と熱電発電素子とはそれぞれ直接接触しているため、高温部材と低温部材との温度差に応じた発電量を好適に確保することができる。
【００１１】
このような配設態様としては、請求項２に記載の発明によるように、前記熱電発電素子は前記高温部材及び前記低温部材によって押圧されることによりその配設位置が保持される、といった構成を採用することができる。この場合には高温部材や低温部材に熱電発電素子が完全に固定されることなく同熱電発電素子の配設位置は保持されるため、高温部材及び低温部材の双方に対して熱電発電素子を確実に摺動可能にすることができる。
【００１２】
このような押圧力による熱電発電素子の保持に際しては、バンドなどの締め付け部材を用いて熱電発電素子と高温部材と低温部材とを一体に固定するといった態様の他、請求項３に記載の発明によるように、前記熱電発電素子は前記高温部材と前記低温部材との間で圧入状態とされる、といった構成を採用することもできる。この場合には、上記締め付け部材を省略することができるため、より簡素な構成で請求項２に記載の発明による効果を得ることができる。
【００１３】
なお、熱電発電素子を圧入状態とする態様として、例えば次のような態様があげられる。まず低温部材と熱電発電素子とを仮止めし、低温部材及び熱電発電素子を高温部材の外周面に圧入することにより熱電発電素子を圧入状態とすることができる。また、高温部材と熱電発電素子とを仮止めし、高温部材及び熱電発電素子を低温部材の内周面に圧入することによっても熱電発電素子を圧入状態とすることができる。また、高温部材と低温部材との間に熱電発電素子を圧入することによっても熱電発電素子を圧入状態とすることができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の熱電発電装置において、前記高温部材の外周面には同高温部材の一部を構成するとともに前記一方の面が接触する台座を設けられることをその要旨とする。
【００１５】
熱電発電素子と高温部材との密着性、あるいは熱電発電素子と低温部材との密着性を高めることにより、高温部材から熱電発電素子への熱伝達量、あるいは熱電発電素子から低温部材への熱伝達量を増大させることができ、もって熱電発電素子の発電量を増大させることができる。ここで、密着性を高めるために熱電発電素子と高温部材との間の押圧力を高めると同高温部材が変形してしまうおそれがある。そこで上記構成では、高温部材の外周面に台座を設け、この台座に熱電発電素子の一方の面を接触させるようにしている。このような台座を設けることにより、台座を含む高温部材の剛性は高められ、上述したように押圧力を高める場合であっても同高温部材の変形を抑制することができるようになる。なお、上記台座は高温部材に一体形成するといった配設態様や、高温部材とは別部材として形成し、高温部材の外周面に接触するように取り付ける等といった配設態様を採用することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の内燃機関の熱電発電装置において、前記台座にあって前記一方の面が接触する面は該一方の面に沿った形状に形成されることをその要旨とする。
【００１７】
同構成によれば、熱電発電素子の一方の面と高温部材の一部を構成する台座との密着性を確実に確保することができる。ここで、熱電発電素子は略平板状に形成されていることが多い。そこで請求項６に記載の発明によるように、台座を多角柱形状に形成することによって台座の外周面と熱電発電素子の一方の面とを確実に密着させることができるようになる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の熱電発電装置において、前記高温部材はオーステナイト系ステンレス鋼にて形成されることをその要旨とする。
【００１９】
上記排気通路の材質として、耐腐食性等に優れるステンレス鋼が用いられることがある。このステンレス鋼のうち特にオーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４等）は他のステンレス鋼よりも熱膨張係数が大きいといった特徴がある。そこで、このオーステナイト系ステンレス鋼を用いて上記高温部材を形成すると、その熱膨張量は大きくなる。従って、高温部材に熱電発電素子が直接設けられる場合には、高温部材の熱膨張によって同高温部材と熱電発電素子との密着性が高まり、高温部材から熱電発電素子への熱伝達量は増大され、熱電発電素子の発電量をさらに増大させることができる。また、上述したような台座を設ける場合でも、高温部材の熱膨張により台座は弾性変形し、同台座と熱電発電素子との密着性が高まるようになるため、この場合にも熱電発電素子の発電量をさらに増大させることができる。
【００２０】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の熱電発電装置において、前記高温部材の内部には排気浄化触媒が設けられることをその要旨とする。
排気浄化触媒は化学反応熱によって昇温されるため、その温度は排気通路を構成する部材よりも高くなる。そのため、上記構成によれば高温部材の温度をさらに高めることができ、熱電発電素子の発電量を増大させることができるようになる。ここで、上記請求項１〜７のいずれかに記載の構成によれば、高温部材が熱膨張等によって変形する場合であっても、熱電発電素子の損傷を抑制することができるため、このように高温部材の温度をさらに高めるような構成を採用しても、熱電発電素子の損傷を抑制することができる。
【００２１】
また、排気浄化触媒及び熱電発電装置が一体とされるため、同排気浄化触媒と熱電発電装置とをそれぞれ別体の装置として排気通路に設ける場合と比較して、内燃機関の排気装置全体をコンパクトに構成することができるようになる。
【００２２】
また、機関運転状態が高回転高負荷状態にあるようなときには排気温度が上昇し、上記排気浄化触媒の高温劣化が起きやすくなるが、上記構成によれば排気浄化触媒の熱量が熱電発電素子によって消費されるため、このような高温劣化も好適に抑制することができる。
【００２３】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の内燃機関の熱電発電装置において、前記排気浄化触媒の担体は押し出し成形された金属製の担体であることをその要旨とする。
上記担体にはセラミックス製の担体や金属製の担体などがあり、同構成では特に金属製の担体を採用するようにしている。このような金属製の担体は、同担体上で発生する化学反応熱や排気の熱が伝達されやすいため、その温度上昇速度がセラミックス製の担体よりも速く、またその温度自体もより高くなる。従って、上記構成によれば、熱電発電素子の高温側の面をより速やかに昇温させることができるとともに、同高温側の面の温度を高めることができるようになる。
【００２４】
また、このような金属製の担体には、多数の金属薄板を積層した担体や、金属薄板を渦巻き状に丸めた担体などがある。しかし、これら金属薄板で形成される担体は剛性が低く、外力による変形量が大きい傾向にある。そのため、これら担体は上述したような押圧力によって変形し、場合によっては破損するおそれもある。そこで、上記構成では押し出し成形された金属製の担体を採用するようにしている。この押し出し成形された担体は、その内部に形成される多数の壁面が一体となっているため、上述したような金属薄板で構成される各担体よりも剛性が高く、外力による変形量が少ないといった特徴がある。従って、押圧力の増大による発電量の増大に際して、担体の変形を好適に抑制することができるようになる。
【００２５】
請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９のいずれかに記載の内燃機関の熱電発電装置において、前記低温部材はその内部に冷却媒体が流通する冷却機構であり、該冷却機構内における冷却媒体の流通方向は同冷却機構の上方から下方に向けた方向に設定されることをその要旨とする。
【００２６】
同構成によれば、冷却機構に導入される冷却媒体の上流側と下流側とで落差が生じるため、冷却機構内において冷却媒体を効率よく流通させることができるようになり、熱電発電素子の低温側の冷却を好適に実施することができるようになる。
【００２７】
また、請求項１１に記載の発明によるように、前記冷却媒体の流通方向は、前記冷却機構の上方から下方に向けた方向に加え、さらに排気の流れ方向に対して順方向にも設定される、といった構成を採用することにより、冷却媒体は冷却機構の排気上流側上部から排気下流側下部に向けて流動するようになり、冷却機構全体を好適に冷却することができるようになる。
【００２８】
請求項１２に記載の発明は、請求項１〜１１のいずれかに記載の内燃機関の熱電発電装置において、前記一方の面及び他方の面のうち少なくともいずれかは非晶質炭素膜で被覆されることをその要旨とする。
【００２９】
上記非晶質炭素膜、いわゆるＤＬＣ（Diamond Like Carbon）膜は摩擦係数が小さいため、上記構成によれば熱電発電素子に接触する部材と同熱電発電素子との摺動抵抗が小さくなり、熱電発電素子の損傷を十分に抑制することができる。また同非晶質炭素膜は電気絶縁性が高いため、熱電発電素子の高温側の各電極間における絶縁、あるいは同低温側の各電極間における絶縁も確保することができる。また、同非晶質炭素膜は熱伝導性が高いため、高温部材と低温部材との温度差に応じた発電量を確実に確保することができる。さらに同非晶質炭素膜は耐熱性、耐摩耗性等も優れているため、上記請求項１〜１０に記載の発明の効果を長期間に渡り維持することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、この発明にかかる内燃機関の熱電発電装置を具体化した一実施形態について、図１〜図４を併せ参照して説明する。
図１は、本実施形態にかかる内燃機関の熱電発電装置２０が適用される車両１の排気系１２についてその概略構成を示している。
【００３１】
同図１に示されるように、排気系１２を構成する排気通路１７には、排気の流れ方向の上流側から順に、エキゾーストマニホールド１３、熱電発電装置２０、消音器１６等が配設されている。このように構成される排気系１２では、内燃機関１１から排出された排気がエキゾーストマニホールド１３、熱電発電装置２０、並びに消音器１６を通過して外部に排出される。
【００３２】
次に、熱電発電装置２０について図２〜図４を併せ参照して説明する。
図２に熱電発電装置２０の斜視図を示す。また、図３に熱電発電装置２０の部分断面図を示す。同図３に示すように熱電発電装置２０は、排気浄化触媒３０及び熱電発電スタック４０等から構成されている。
【００３３】
排気浄化触媒３０は、円筒状の担体３１及び同担体３１を収容する外筒３２等で構成されている。担体３１には所定の活性温度に達することにより、排気成分、例えばＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等を浄化する触媒が担持されている。
【００３４】
外筒３２は熱伝導率及び耐腐食性の高い材質であるステンレス鋼で形成されており、特に本実施形態では、他のステンレス鋼よりも熱膨張係数が大きいオーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４等）が用いられている。外筒３２の両端は開口されており、その一方端にはエキゾーストマニホールド１３が接続される上流側フランジ３３が設けられており、他端には排気通路１７が接続される下流側フランジ３４が設けられている。このように外筒３２は排気通路１７の一部をなしており、上記高温部材を構成している。また、外筒３２は台座３５に圧入されている。この台座３５は熱伝導率及び耐熱性の高い材質（例えば、ステンレス鋼、アルミニウム合金、銅等）で形成されており、外筒３２の熱が伝わりやすいようになっている。すなわちこの台座３５は上記高温部材の一部を構成している。
【００３５】
熱電発電スタック４０は複数の熱電発電素子４１や冷却機構４２等から構成されている。各熱電発電素子４１は先の図９に示したものと同様な構造になっている。ただし、本実施形態では、熱電発電素子４１の両面に設けられた電極を非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）４１ａで被覆するようにしている。この非晶質炭素膜４１ａは、摩擦係数が小さいといった特徴や、電気絶縁性、熱伝導性、耐熱性、及び耐摩耗性等が優れているといった特徴がある。
【００３６】
熱電発電素子４１は台座３５の外周面であって排気浄化触媒３０の軸方向、すなわち排気の流れ方向に複数（本実施形態では４個）設けられており、台座３５の外周面に接触する面（以下、面Ｈという）が同熱電発電素子４１にあって高温側の面になる。
【００３７】
冷却機構４２は、熱電発電素子４１にあって、台座３５の外周面に対面する面と反対の面に設けられている。この冷却機構４２は、その内部に流通する冷却媒体である冷却水の流れ方向上流側から順に設けられた、導入管４３、第１集合部４４、分配管４５、冷却部４６、第２集合部４７、及び排出管４８等から構成されている。この冷却機構は上記低温部材を構成している。
【００３８】
第１集合部４４及び第２集合部４７は上記外筒３２の円周面よりも外方に設けられた環状の管としてそれぞれ構成されており、排気の流れ方向において上流側に第１集合部４４、下流側に第２集合部４７が設けられている。これら各集合部は、排気浄化触媒３０の軸方向に延びる複数の分配管４５で接続されている。
【００３９】
各分配管４５の途中には熱電発電素子４１を冷却する冷却部４６が設けられており、熱電発電素子４１にあって冷却部４６が接触する面（以下、面Ｃという）が同素子の低温側の面になる。この冷却部４６の内部空間には分配管４５を介して冷却水が導入される。また、同冷却部４６は各熱電発電素子４１に対応させてそれぞれ個別に設けられている。
【００４０】
導入管４３は第１集合部４４の上方に接続されており、この導入管４３を介して第１集合部４４に冷却水が導入される。また、排出管４８は第２集合部４７の下方に接続されており、第２集合部の冷却水はこの排出管４８を介して別途設けられた冷却系に導入される。このように排気上流側に設けられる第１集合部４４の上方に導入管４３が設けられ、同第１集合部４４よりも排気下流側に設けられる第２集合部４７の下方に排出管４８が設けられている。このように冷却機構４２における冷却水の流通方向は、同冷却機構４２の上方から下方に向けた方向に設定されており、さらに排気の流れ方向に対して順方向となるようにも設定されている。
【００４１】
次に、図３におけるＡ−Ａ断面を図４に示す。同図４に示すように、担体３１は外筒３２内に挿入されており、同外筒３２は台座３５に挿入されている。この担体３１は押し出し成形された金属製の担体である。より具体的には、その全長方向に多数の貫通孔を有するハニカム構造体であって、貫通孔を構成する壁面は焼結金属で形成されている。なお本実施形態ではこの燒結金属として、鉄にクロムやアルミニウムなどを加えた合金を使用しているが、耐熱性等に優れた金属であればその他のものを使用することもできる。
【００４２】
台座３５は上記外筒３２の挿入方向に延びる多角柱形状、具体的には八角柱形状に形成されている。またその内部には上記外筒を挿入させるための孔が形成されている。
この台座３５の外周面には複数の熱電発電素子４１が当接されている。なお、本実施形態では台座３５の径方向に８個、同台座３５の軸方向に４個の熱電発電素子４１が配設されており、台座３５の外周面には計３２個（８個×４個）の熱電発電素子４１が接触している。また、各熱電発電素子４１は台座３５の周方向に等角度（４５°）で配置されている。
【００４３】
各熱電発電素子４１の面Ｃには上述した冷却部４６がそれぞれ接触している。なお、同図４に示すように、各冷却部４６の内部には、複数の放熱板４９が形成されている。
各冷却部４６にあって熱電発電素子４１が接触している面（面Ｃ）と反対の面には、皿ばね５０及びばね押さえ５１が配設されている。そして各熱電発電素子４１に当接された各冷却部４６は、皿ばね５０及びばね押さえ５１を介してバンド５２にて固定されている。従って、バンド５２といった締め付け部材によって冷却部４６、熱電発電素子４１、台座３５、及び外筒３２は一体に固定される。そして、熱電発電素子４１は冷却部４６及び台座３５に押圧されて同熱電発電素子４１の配設位置は保持されることにより、熱電発電素子４１は冷却機構４２の冷却部４６及び高温部材の一部を構成する台座３５にそれぞれ摺動可能な状態で保持される。なお本実施形態において、バンド５２は金属製であるが、他の材質を用いるようにしてもよい。また、皿ばね５０に代えて他の弾性部材を用いるようにしてもよい。
【００４４】
このように構成された本実施形態にかかる熱電発電装置２０では、熱電発電素子４１が台座３５及び冷却部４６によって押圧されることによって熱電発電素子４１の配設位置は保持される。従って、熱電発電素子４１は台座３５や冷却部４６に完全に固定されることなくその配設位置が保持され、同熱電発電素子４１は台座３５及び冷却部４６の双方に対して摺動可能な態様で配設される。そのため、熱電発電素子４１と台座３５との熱膨張係数の違いに起因してそれらの変形量が異なる場合には、互いの部材（熱電発電素子４１及び台座３５）が相対移動するようになり、熱電発電素子４１に作用する応力は低減される。従って、熱電発電素子４１と台座３５との熱膨張係数の違いに起因して発生する熱応力が熱電発電素子４１に作用することは抑制される。同様に、熱電発電素子４１と冷却部４６も摺動可能な状態で配設されるため、熱電発電素子４１と冷却部４６との熱膨張係数の違いに起因して発生する熱応力が熱電発電素子４１に作用することは抑制される。従って、熱電発電素子４１の損傷が抑制される。
【００４５】
また、台座３５及び冷却部４６の双方に対して熱電発電素子４１は摺動可能に設けられており、台座３５と熱電発電素子４１、及び冷却部４６と熱電発電素子４１とはそれぞれ直接接触しているため、台座３５と冷却部４６との温度差に応じた発電量が確実に確保される。
【００４６】
なお、バンド５２を用いて熱電発電素子４１と台座３５と冷却部４６とを一体に固定するようにしている。そのため、簡易な構成で熱電発電素子４１は押圧されながらその配設位置が保持される。
【００４７】
また、熱電発電素子４１が完全に固定されていないため、同熱電発電素子４１の交換が容易である。
ここで、熱電発電素子と高温部材との密着性、あるいは熱電発電素子と低温部材との密着性を高めることにより、高温部材から熱電発電素子への熱伝達量、あるいは熱電発電素子から低温部材への熱伝達量を増大させることができ、もって熱電発電素子の発電量を増大させることができる。しかし、このような密着性の向上を図るために熱電発電素子と高温部材との間の押圧力を高めると高温部材が変形してしまうおそれがある。そこで本実施形態では、高温部材である外筒３２の外周面に台座３５を設け、この台座３５に熱電発電素子４１の一方の面（面Ｈ）が接触するようにしている。このような台座３５を設けることにより、台座３５を含む高温部材の剛性は高められ、上述したように押圧力を高める場合であっても高温部材（外筒３２）の変形は抑制される。
【００４８】
また、熱電発電素子４１は略平板状に形成されているため、台座３５の形状を多角柱形状としている。すなわち、台座３５にあって熱電発電素子４１の面Ｈが接触する面はこの面Ｈに沿った形状に形成するようにしている。そのため、熱電発電素子４１の面Ｈと台座３５との密着性は確実に確保される。
【００４９】
また、外筒３２をオーステナイト系ステンレス鋼で形成するようにしている。そのため、他のステンレス鋼を用いる場合と比較して、外筒３２の熱膨張量が大きくなり、この外筒３２の径方向への膨張によって、台座３５は熱電発電素子４１に向けて付勢される。これにより台座３５と熱電発電素子４１との密着性は高められ、台座３５から熱電発電素子４１への熱伝達量が増大される。その結果、熱電発電素子４１の発電量はさらに増大される。
【００５０】
また、外筒３２の内部には排気浄化触媒３０が設けられている。この排気浄化触媒３０は排気浄化の際の化学反応熱によって昇温されるため、その温度はエキゾーストマニホールド１３や排気通路１７よりも高くなる。そのため、排気浄化触媒３０を設けない場合と比較して、外筒３２の温度はさらに高くなる。従ってこの外筒３２の外周面に接する台座３５の温度もより高くなり、熱電発電素子４１の発電量はさらに増大される。なお、台座３５の温度がさらに高められると熱膨張による変形量も増大するが、本実施形態では、高温部材が熱膨張等によって変形する場合であっても、熱電発電素子の損傷を抑制することができるため、このように台座３５の温度をさらに高めるような構成を採用しても、熱電発電素子４１の損傷は抑制される。\  また、排気浄化触媒３０及び熱電発電装置２０が一体とされるため、同排気浄化触媒３０と熱電発電装置２０とをそれぞれ別体の装置として排気通路１７に設ける場合と比較して、内燃機関の排気装置全体がコンパクトに構成される。
【００５１】
また、機関運転状態が高回転高負荷状態にあるようなときには排気温度が上昇し、上記排気浄化触媒３０の高温劣化が起きやすくなるが、本実施形態では排気浄化触媒３０の熱量が熱電発電素子４１によって消費されるため、このような高温劣化も抑制される。ar   また、排気浄化触媒３０の担体３１を金属製の担体としている。このような金属製の担体では、同担体上で発生する化学反応熱や排気の熱が伝達されやすいため、その温度上昇速度がセラミックス製の担体よりも速く、また温度自体もより高くなる。従って、本実施形態によれば、熱電発電素子４１の高温側の面（面Ｈ）をより速やかに昇温させることができるとともに、高温側の面の温度をさらに高めることができるようになる。そのため、熱電発電素子４１の発電量をさらに高めることができる。また、このような金属製の担体には、多数の金属薄板を積層した担体や、金属薄板を渦巻き状に丸めた担体などがあるが、これら金属薄板で形成される担体は剛性が低く、外力による変形量が大きい傾向にある。そのため、これら担体は外筒３２を介して付与される押圧力によって変形し、場合によっては破損するおそれもある。そこで本実施形態では、特に押し出し成形された金属製の担体を用いるようにしている。この押し出し成形された担体は、その内部に形成される多数の壁面が一体となっているため、金属薄板で構成される担体よりも剛性が高く、外力による変形量が少ないといった特徴がある。従って、押圧力の増大による発電量の増大に際して、担体の変形が抑制される。
【００５２】
また、熱電発電素子４１の低温側には、内部に冷却水が流通する冷却機構４２を設けて同低温側を十分に冷却するようにしているが、冷却機構４２内における冷却水の流通方向を同冷却機構４２の上方から下方に向けた方向に設定するようにしている。そのため、冷却機構４２に導入される冷却水の上流側と下流側とで落差が生じ、冷却機構４２内において冷却水が効率よく流通される。また、冷却水の流通方向を排気の流れ方向に対して順方向に設定するようにもしている。そのため、冷却水は冷却機構４２の排気上流側上部から排気下流側下部に向けて流動するようになり、冷却機構４２全体が十分に冷却される。
【００５３】
また、熱電発電素子４１の高温面（面Ｈ）及び低温面（面Ｃ）を非晶質炭素膜４１ａで被覆するようにしている。この非晶質炭素膜４１ａ、いわゆるＤＬＣ（Diamond Like Carbon）膜は摩擦係数が小さいため、熱電発電素子４１に接触する部材（台座３５及び冷却部４６）と同熱電発電素子４１との摺動抵抗は小さくなる。従って、台座３５及び冷却部４６のそれぞれと熱電発電素子４１とは容易に摺動され、もって熱電発電素子４１の損傷は十分に抑制される。また非晶質炭素膜４１ａは電気絶縁性が高いため、熱電発電素子４１の高温側の各電極間における絶縁、あるいは同低温側の各電極間における絶縁も確保することができる。また、非晶質炭素膜４１ａは熱伝導性が高いため、高温部材と低温部材との温度差に応じた発電量が確実に確保される。さらに同非晶質炭素膜４１ａは耐熱性、耐摩耗性等にも優れるため、上述したような作用効果が長期間に渡って維持される。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
（１）熱電発電素子４１を高温部材（台座３５）及び低温部材（冷却部４６）の双方に対して摺動可能に設けている。そのため、高温部材及び低温部材と熱電発電素子４１との熱膨張係数の違いに起因する熱電発電素子４１の損傷を抑制することができるようになる。
【００５５】
また、熱電発電素子４１は高温部材及び低温部材の双方に対して摺動可能に設けられており、高温部材と熱電発電素子、及び低温部材と熱電発電素子とはそれぞれ直接接触しているため、高温部材と低温部材との温度差に応じた発電量を好適に確保することができる。
【００５６】
（２）熱電発電素子４１は高温部材及び低温部材によって押圧されることによりその配設位置が保持されるようにしている。そのため、高温部材や低温部材に熱電発電素子４１が完全に固定されることなく同熱電発電素子４１の配設位置が保持され、高温部材及び低温部材と熱電発電素子４１とをそれぞれ確実に摺動可能にすることができる。
【００５７】
（３）熱電発電素子４１が完全に固定されていないため、同熱電発電素子４１の交換を容易に行うことができる。
（４）このような押圧力による熱電発電素子４１の保持に際しては、バンド５２を用いて熱電発電素子４１と高温部材と低温部材とを一体に固定するようにしている。そのため、簡易な構成で熱電発電素子４１を押圧しながらその配設位置を保持することができる。
【００５８】
（５）排気通路の一部を構成する外筒３２の外周面に、高温部材の一部を構成する台座３５を設けるようにしている。そのため、熱電発電素子４１の発電量を増大させつつ、外筒３２の変形を抑えることができるようになる。
【００５９】
（６）台座３５にあって熱電発電素子４１の一方の面（面Ｈ）が接触する面は、この一方の面に沿った形状に形成するようにしている。具体的には台座３５を多角柱形状に形成するようにしている。そのため、熱電発電素子４１の一方の面と高温部材の一部を構成する台座３５との密着性を確実に確保することができるようになる。
【００６０】
（７）外筒３２をオーステナイト系ステンレス鋼にて形成するようにしている。そのため、台座３５と熱電発電素子４１との密着性がさらに高まるようになり、熱電発電素子４１の発電量をさらに増大させることができるようになる。
【００６１】
（８）外筒３２の内部に排気浄化触媒３０を備えるようにしている。そのため、台座３５の温度をさらに高めることができ、熱電発電素子４１の発電量を増大させることができるようになる。なお、上記実施形態によれば台座３５などの高温部材が熱膨張等によって変形する場合であっても、熱電発電素子４１の損傷を抑制することができるため、このように台座３５の温度をさらに高めるような構成であっても熱電発電素子４１の損傷を抑制することができる。
【００６２】
（９）排気浄化触媒３０及び熱電発電装置２０が一体に構成されるため、内燃機関の排気装置全体をコンパクトに構成することができるようになる。
（１０）機関運転状態が高回転高負荷状態にあるようなときには排気温度が上昇し、排気浄化触媒３０の高温劣化が起きやすくなるが、上記実施形態によればこのような高温劣化も好適に抑制することができる。
【００６３】
（１１）排気浄化触媒３０の担体３１を押し出し成形された金属製の担体としている。そのため、熱電発電素子４１の高温側の面をより速やかに昇温させることができるとともに、同高温側の面の温度をさらに高めることができるようになり、熱電発電素子４１の発電量をさらに増大させることができるようになる。
【００６４】
また、熱電発電素子４１への押圧力の増大によってその発電量を増大させる際には、担体３１の変形を好適に抑制することができるようになる。
（１２）冷却機構４２内における冷却水の流通方向を同冷却機構４２の上方から下方に向けた方向に設定するようにしている。そのため、冷却機構４２内において冷却水を効率よく流通させることができるようになり、熱電発電素子４１の低温側の冷却を好適に実施することができるようになる。
【００６５】
また、冷却水の流通方向を排気の流れ方向に対して順方向に設定するようにもしている。従って、冷却機構４２全体を好適に冷却することができるようになる。
（１３）熱電発電素子４１の両面を非晶質炭素膜４１ａで被覆するようにしている。そのため、熱電発電素子４１に接触する部材と同熱電発電素子４１との摺動抵抗が小さくなり、熱電発電素子４１の損傷を十分に抑制することができる。また熱電発電素子４１の高温側の各電極間における絶縁、あるいは同低温側の各電極間における絶縁も確保することができる。また、高温部材と低温部材との温度差に応じた発電量を確実に確保することができる。さらに上記作用効果を長期間に渡り維持することもできる。
【００６６】
なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、バンド５２を用いて冷却部４６、熱電発電素子４１、及び台座３５を一体的に固定するようにしたが、例えば図５に例示するような態様で熱電発電素子４１を押圧し、その配設位置を保持することもできる。
【００６７】
すなわち、排気の流れ方向に直交する断面が略多角形形状に形成された担体３１’を用意し、この担体３１’を多角柱形状に形成された外筒３２’に挿入する。また、上記冷却部４６を外筒３２’の周方向及び排気の流れ方向に一体形成した冷却機構４２’を用意する。そして、冷却機構４２’の内周面に熱電発電素子４１を仮止めし、熱電発電素子４１及び冷却機構４２’を外筒３２’の外周面に圧入する。このように低温部材と熱電発電素子とを仮止めし、低温部材及び熱電発電素子を高温部材の外周面に圧入することにより、高温部材と低温部材との間で熱電発電素子が圧入状態とされる態様では、バンド５２を省略することができる。従って、より簡素な構成で熱電発電素子４１が高温部材及び低温部材に押圧され、その配設位置が保持される。
【００６８】
なお、高温部材と低温部材との間で熱電発電素子を圧入状態とするために、高温部材と熱電発電素子とを仮止めし、高温部材及び熱電発電素子を低温部材の内周面に圧入するようにしてもよい。また、高温部材と低温部材との間に熱電発電素子を圧入することによっても熱電発電素子を圧入状態とすることができる。
【００６９】
・図６に例示するように、上記実施形態における台座３５は省略することができる。なおこの場合には、先の図５に例示したような担体３１’及び外筒３２’を用いることにより、外筒３２’の外周面に熱電発電素子４１の一方の面（面Ｈ）が直接接触するとともに、面Ｈの全面が外筒３２’に接触するようになるため、担体の熱量を熱電発電素子に好適に伝達させることができるようになる。
【００７０】
ちなみに、先の図５では高温部材と低温部材との間で熱電発電素子が圧入状態とされ、かつ台座３５が省略された場合について例示したが、図７に例示するように、上記実施形態と同様に台座３５が設けられる場合にあって、熱電発電素子４１が台座３５の外周面側で圧入状態とされるようにしてもよい。
【００７１】
・上記実施形態における台座３５をオーステナイト系ステンレス鋼で形成するようにしてもよい。この場合には、台座３５の熱膨張量が増大して熱電発電素子４１と台座３５との密着性が向上するため、台座３５から熱電発電素子４１への熱伝達量が増大され、その発電量をさらに増大させることができる。
【００７２】
・上記台座３５と外筒３２とを一体に形成し、この一体形成された台座の内部に排気浄化触媒３０を挿入するようにしてもよい。
・上述したように、担体３１は押し出し成形された金属製の担体とすることが望ましいが、セラミックス製の担体、あるいは金属薄板等から構成される金属製の担体とすることもできる。
【００７３】
・上記実施形態及びその変形例における排気浄化触媒は、排気成分の浄化に際して発熱するものであればどのようなものでもよい。
・上記外筒３２や外筒３２’内の担体、換言すれば排気浄化触媒は省略することもできる。すなわち、排気系を構成する排気管の外周面に熱電発電素子４１を設ける場合であっても本発明は同様に適用することができる。
【００７４】
・熱電発電素子４１の両面を非晶質炭素膜４１ａで被覆するようにしたが、この被覆に用いる膜としては、摩擦係数が小さく、電気絶縁性、熱伝導性、耐熱性、及び耐摩耗性等に優れたものであればよい。また、熱電発電素子４１の片面（例えば面Ｈ）を非晶質炭素膜４１ａで被覆するとともに、他方の片面（例えば面Ｃ）をこれとは異なる膜で被覆するようにしてもよい。
【００７５】
・上記熱電発電素子４１の配設数は適宜変更することができる。
・上記実施形態では、冷却機構４２内における冷却水の流通方向が排気の流れ方向に対して順方向になるようにも設定した。この点、冷却水の流通方向が少なくとも冷却機構４２の上方から下方に向けた方向となるように設定するようにしてもよい。この場合であっても、冷却機構４２に導入される冷却水の上流側と下流側とで落差が生じるため、冷却機構４２内において冷却水を効率よく流通させることができるようになり、熱電発電素子４１の低温側の冷却を好適に実施することができるようになる。
【００７６】
・上記実施形態では、冷却機構４２の冷却媒体として冷却水を用いるようにしたが、これ以外の冷却媒体を用いることもできる。要は、冷却機構４２を冷却することのできる媒体であればよい。
【００７７】
・上記冷却機構４２はいわゆる水冷式の冷却機構であったが、例えば放熱フィン等を有する空冷式の冷却機構とすることもできる。
・上記皿ばね５０及びばね押さえ５１を省略し、冷却部４６等をバンド５２で直接締め付けるようにしてもよい。
【００７８】
・図８に例示するように、上記熱電発電装置２０をエキゾーストマニホールド１３の直下に設けるようにしてもよい。この場合には、車両１のアンダーフロアのフラット化に貢献することができる。そのため、例えば車両室内の床面をより平坦に形成することができ、同室内の居住性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明にかかる内燃機関の熱電発電装置の一実施形態について、これが適用される車両の排気系の構成を示す概略図。
【図２】同実施形態にかかる熱電発電装置の構造を示す斜視図。
【図３】同実施形態にかかる熱電発電装置の構造を示す部分断面図。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図。
【図５】同実施形態の変形例における熱電発電装置にあって、排気の流れ方向に直交する断面の構造を示す模式図。
【図６】同実施形態の変形例における熱電発電装置にあって、排気の流れ方向に直交する断面の構造を示す模式図。
【図７】同実施形態の変形例における熱電発電装置にあって、排気の流れ方向に直交する断面の構造を示す模式図。
【図８】同実施形態の変形例における熱電発電装置の配設位置を示す概略図。
【図９】熱電発電素子の構造を示す概略図。
【符号の説明】
【００８０】
１…車両、１１…内燃機関、１２…排気系、１３…エキゾーストマニホールド、１６…消音器、１７…排気通路、２０…熱電発電装置、３０…排気浄化触媒、３１、３１’…担体、３２、３２’…外筒、３３…上流側フランジ、３４…下流側フランジ、３５…台座、４０…熱電発電スタック、４１…熱電発電素子、４１ａ…非晶質炭素膜、４２…冷却機構、４３…導入管、４４…第１集合部、４５…分配管、４６…冷却部、４７…第２集合部、４８…排出管、４９…放熱板、５０…皿ばね、５２…バンド。
【図１】
2005223131.tif 000003
【図２】
2005223131.tif 000004
【図３】
2005223131.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005223131.tif 000007
【図６】
2005223131.tif 000008
【図７】
2005223131.tif 000009
【図８】
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【図９】
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